一种非制冷红外折反射全景镜头制造技术

本发明专利技术提供一种非制冷红外折反射全景镜头，包含二次曲面反射镜和透镜组，所述二次曲面反射镜和透镜组共用同一光轴，且透镜组处于二次曲面反射镜的下方；所述透镜组由第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜构成，其中第一折射镜和第二折射镜构成对称双高斯结构，第二折射镜和第三折射镜为非球面折射镜；在二次曲面反射镜、第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜之间形成光线传输通路。该全景镜头适用于非制冷红外焦平面探测器，具有视场大、体积小、体积大等优势。

Uncooled infrared catadioptric panoramic lens

The present invention provides a kind of uncooled infrared catadioptric panoramic camera, including two surface reflector and lens group, wherein the two surface reflector and lens group share the same optical axis, and the lens group in the two curved reflectors below; the lens group is composed of the first and second mirrors and mirror third refractive lens, wherein the first mirror and second mirrors constitute a symmetric double Gauss structure, second mirror and third mirrors for aspheric mirrors; optical transmission line path formed between the two curved reflector, the first mirror, second mirror and third mirrors. The panoramic lens is suitable for uncooled infrared focal plane detectors. It has many advantages, such as large field of view, small size and large volume.

【技术实现步骤摘要】
一种非制冷红外折反射全景镜头
本专利技术属于红外光学
，具体涉及一种非制冷红外折反射全景镜头。
技术介绍
传统成像系统以视场中的一点作为成像中心点，将物空间有限大小的区域经过该中心点投影到成像平面上，对物空间的一个局部成像，获取的信息量有限。全景成像是指视场超过人的正常视场、能够获得360°水平视场、大垂直视场信息的成像技术，信息量更大，在机器人导航、预警监测、视频监控、虚拟现实等众多应用中具有重要价值，而且随着成像器件像元规模的增大，全景成像逐渐获得更多的关注，成为机器视觉和计算机视觉等新兴领域的研究热点。全景图像的获取方式通常分为三种：第一种是围绕一个固定视点旋转拍摄一系列视场有部分重叠的图像序列，再对这些图像序列进行图像拼接，最终得到一幅360°水平视场的全景图像，此类全景成像技术的优点是空间分辨力高，不足是时间分辨力较低，不能完整记录360°全方位实景空间内重要事件的发生、持续以及结束整个过程。第二种是采用多个相机对不同方位角的物空间区域进行成像，再通过图像拼接形成全景图像；这种方法的优点是空间分辨力高，不足是所获取的图像原始数据量大，拼接算法较复杂，存在拼接缝，不同方位角相机拍摄的图像之间存在明暗差异，而且对相机之间的定位要求比较严苛。第三种是单个探测器配合特殊的全景光学系统来获得全景图像，代表性的全景光学系统有：鱼眼镜头、全景环形透镜和折反射全景镜头，此类全景成像方式的优点是无需扫描部件即可一次性获得全景图像，速度快，不足是空间分辨力较低、几何畸变严重。与鱼眼镜头和全景环形透镜相比，折反射全景成像系统的设计灵活性高，可以设计满足单视点结构约束的透视全景系统，也可以设计水平无畸变或柱面无畸变的全景系统，还可以根据实际应用环境需要设计特定的系统结构。红外成像系统可以在夜间和低能见度条件下实现成像观察、侦察、监视、制导等，作用距离远且能穿透薄雾和烟尘，具备在全黑的夜间和低能见度条件下获取“单向透明”信息优势的能力。随着红外探测器技术的发展，高灵敏度和大面阵红外探测器不断涌现，非制冷红外焦平面探测器的像元规模和灵敏度也得到显著提高，2007年有文献公开报道，镜头F#为1时非制冷红外焦平面探测器的NETD已小于25mK。目前商品化的非制冷红外焦平面探测器的像元规模已超过1024×768，NETD小于50mK。在折反射全景成像架构下针对非制冷红外焦平面探测器研究非制冷红外全景镜头，从而构建非制冷红外全景成像系统，在机器人夜视导航、车辆辅助驾驶、无人车自动驾驶等方面具有重要应用潜力。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种非制冷红外折反射全景镜头，该全景镜头适用于非制冷红外焦平面探测器，具有视场大、体积小、体积大等优势。本专利技术的技术方案为：一种非制冷红外折反射全景镜头，包含二次曲面反射镜和透镜组，所述二次曲面反射镜和透镜组共用同一光轴，且透镜组处于二次曲面反射镜的下方或上方；所述透镜组由第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜构成，其中第一折射镜和第二折射镜构成对称双高斯结构，第二折射镜和第三折射镜为非球面折射镜；在二次曲面反射镜、第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜之间形成光线传输通路。进一步地，本专利技术第三折射镜为弯月透镜。进一步地，本专利技术第二折射镜的入射面为球面、出射面为非球面，第三折射镜的入射面为球面、出射面为非球面。有益效果：第一，本专利技术设计了红外非制冷型的折反射全景镜头，该专利技术成果相对目前其它红外波段全景成像系统具有结构简单、体积小、重量轻、成本低的优势。第二，本专利技术的折反射全景镜头与已有的折反射系统(基本用于望远镜设计)的差异体现在：后者的投影特点与常规光学系统一样，满足透视投影模型，并且视场小，场景都被系统投影在探测器中央；而本专利技术的折反射全景镜头是一种环形投影成像，通过将系统竖直放置，将周围环形场景的景物投影在探测器的一个圆环带上，具有大视场的特点优势。第三，本专利技术的折反射全景镜头与已有的全景系统的差异体现在：后者通常由多个常规相机环绕组成，或者由一个反射腔收集并会聚大视场下不同景物发出的光线，结构较为复杂；而本专利技术中的折反射全景镜头通过单个曲面反射镜和折射透镜组的组合实现周视大视场下的凝视成像，具有以简单结构实现更大视场的优势。附图说明图1本专利技术非制冷红外折反射全景镜头的光路图，其中(a)系统焦距3mm，(b)系统焦距4.2mm。图2本专利技术获得的红外全景图像图3实施例1的光路图图4实施例1的MTF图5实施例1的场曲及畸变图6实施例1的弥散斑图7实施例1的红外全景镜头剖面图图8实施例2的光路图图9实施例2的MTF图10实施例2的场曲及畸变图11实施例2的弥散斑图12实施例2的红外全景镜头剖面图具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术一种非制冷红外折反射全景镜头，包含二次曲面反射镜和由透镜组，所述二次曲面反射镜和透镜组共用同一光轴，且透镜组处于二次曲面反射镜的下方或上方；所述透镜组由第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜构成，其中第一折射镜和第二折射镜构成对称双高斯结构，第二折射镜和第三折射镜为非球面折射镜；在二次曲面反射镜、第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜之间形成光线传输通路。成像光路图如图1所示。本专利技术采用二次曲面反射镜将360°水平视场、大垂直视场的红外辐射反射至第一折射镜中，其优点在于改变光束传播方向时不产生色差(包括轴向色差和放大率色差)，但带来的问题是正畸变非常大，并且还有较大的子午和弧矢场曲；本专利技术利用第一折射镜和第二折射镜构成对称双高斯结构，消除8μm～12μm波段的球差和垂轴色差，同时对二次曲面反射镜引入的场曲有很好的补偿效果，并对畸变有一定的补偿；同时，第二折射镜和第三折射镜都使用非球面折射面，补偿残余的弧矢场曲、子午场曲、像散和慧差；使用非球面以更少的透镜完成残余像差的补偿，避免使用过多球面透镜而导致系统整体透过率快速下降，以及成本快速增加(透镜材料使用价格较高的单晶Ge)。因此本专利技术所设计镜头的特点在于通过小的F数充分发挥了非制冷红外焦平面探测器的灵敏度性能，即镜头F数仅为1(F#＝1.0)，并在小F数的情况下实现了全视场清晰的全景成像，其中水平视场范围为360°，垂直视场范围为-70°～5°(使用时反射镜位于整个系统上方，负角度表示俯角)，同时，解决了大视场带来的轴上像差(球差、轴向色差)和轴外像差(慧差、场曲、像散、畸变和垂轴色差)都较大的问题。本专利技术第三折射镜为弯月透镜。如图1所示，图1(a)的焦距为3mm时，其第三折射镜为弯月透镜，图1(b)的焦距为4.5mm时，其第三折射镜为非球面折射镜，其主要原因在于：图1(a)为了获得比图1(b)更小的遮拦比，将透镜组和反射镜的距离增大，这样使得反射镜的弯曲程度变大，不同视场光线的光程差变大，因此图1(a)中的光学元件4使用弯曲程度更大的弯月透镜来补偿这种光程差的差异，以实现更好的成像效果。本专利技术获得红外全景图像的过程为：360°水平视场、大垂直视场的红外辐射经二次曲面反射镜反射后，依次进入第一折射镜、第二折射镜及第三折射镜，最终聚焦在非制冷红外焦平面探测器上，在探测器内切圆上形成圆环形的图像，如图2所示。本专利技术提供的非制冷红外折反射全景镜头的性能和功能为：工作波段8μm～12μm，峰值波长1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非制冷红外折反射全景镜头，其特征在于，包含二次曲面反射镜和透镜组，所述二次曲面反射镜和透镜组共用同一光轴，且透镜组处于二次曲面反射镜的下方或上方；所述透镜组由第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜构成，其中第一折射镜和第二折射镜构成对称双高斯结构，第二折射镜和第三折射镜为非球面折射镜；在二次曲面反射镜、第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜之间形成光线传输通路。

【技术特征摘要】
1.一种非制冷红外折反射全景镜头，其特征在于，包含二次曲面反射镜和透镜组，所述二次曲面反射镜和透镜组共用同一光轴，且透镜组处于二次曲面反射镜的下方或上方；所述透镜组由第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜构成，其中第一折射镜和第二折射镜构成对称双高斯结构，第二折射镜和第三折射镜为非球面折射镜；在二次曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岭雪，贺宇，姜杰，刘福平，蔡毅，刘建红，陈骥，李洪兵，罗永芳，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11