一种全景镜头及其变焦方法技术

本发明专利技术提供一种全景镜头，包括：自由曲面折反光学元件、自由曲面转像镜头；所述自由曲面转像镜头与所述自由曲面折反光学元件共用同一光轴，且所述自由曲面转像镜头处于所述第二透射面的下方；所述自由曲面折反光学元件包括：第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射面；在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面和自由曲面转像镜头之间形成光线传输通路。本发明专利技术还提供了一种全景镜头的变焦方法，使全景镜头的指定视场环带中心保持不变，有效视场变化范围不偏离目标观测区域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学镜头领域，特别涉及。
技术介绍
全景镜头的典型结构可以分成两个部分一是旋转对称的折反光学元件，部分表 面镀制反射膜，实现三维全景视场向二维环带平面的转换；二是转像镜头，它将折反光学元 件形成的虚像转换成实像。光线在全景镜头中的传播路径如图1所示。作为一种典型的柱 面-平面投影成像模式，全景镜头将最大俯仰角和最小俯仰角之间的三维柱面视场转变为 垂直于光轴的二维环带平面。由于折反光学元件的中心区域被反射镜面阻挡，光轴和最小 俯仰角之间的光线被排除在有效视场外而无法参与成像，所以相应的像面中心会产生一个 盲区。而在传统的中心汇聚投影光学系统中，通常会参考人类的视觉习惯，将目标物体成像 在探测器的中心区域，光轴是视场和像面的中心。显然，由于像面中心盲区的存在，以光轴 作为视场中心的定义不再适用于全景光学系统。因此，全景镜头的视场中心需要根据人类 动态环视扫描视觉模式进行明确的重新定义。通常，对应于某一指定的俯仰角的环形面可以被看作是全景镜头的视场中心。但 这产生一个问题，即在传统的变焦机制中(如图2所示，通过沿光轴前后移动变倍透镜组和 补偿透镜组，改变其在光轴上的位置，从而改变光学系统焦距，实现视场缩放)，光轴是视场 缩放的中心，全景镜头的有效视场将会在变焦过程中偏离目标观测区域，视场变化方式如 图3所示。显然这种视场变化方式不适用于需要对某一特定俯仰角视场保持连续观测的全 景光学系统，实际上期望的视场变化应该如图4所示，即在变焦过程中保持指定的视场环 带中心不变，两侧的俯仰角视场以指定的视场环带为中心缩放，因此有必要采用一种新型 的变焦机制来实现这种指定视场环带中心的变焦全景镜头。除了传统的变焦方式，光学系统的变焦效果也可以通过倾斜的棱镜、变形表面、渐 变折射率透镜等实现，这些元件可以被认为是广义的自由曲面光学元件。自由曲面变焦光 学系统的焦距随着其表面光焦度的变化而变化，而不需要沿着光轴前后移动透镜。由于灵 活的几何形貌和良好的光线控制，自由曲面光学元件可以根据成像需求主动调节局部面 形，而孔径光阑其他部分的成像质量不受影响。甚至自由曲面透镜各个视场对应的焦距也 可不同。这对于实现指定视场环带中心的变焦全景镜头至关重要。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供，在变焦过程当 中，全景镜头的指定视场环带中心保持不变，有效视场变化范围不偏离目标观测区域。为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种全景镜头，包括自由曲面折反光 学元件、自由曲面转像镜头；所述自由曲面转像镜头与所述自由曲面折反光学元件共用同一光轴，且所述自由 曲面转像镜头处于所述第二透射面的下方；所述自由曲面折反光学元件包括第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透 射面；在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面和自由曲面转像镜头之 间形成光线传输通路。优选的，所述自由曲面转像镜头包括光学透镜，所述光学透镜入射面为平面，出射 面为自由曲面。 优选的，所述自由曲面转像镜头至少包括1个光学透镜。优选的，所述第一反射面和所述第二反射面分别由镀在所述自由曲面折反光学元 件表面的环状反射膜形成。优选的，还包括像面，设置于所述自由曲面转像镜头下方。优选的，所述像面上有效像面的大小为016mm~024mm。优选的，所述全景镜头的视场变化范围是从0°方位角对应的70° 110°俯仰 角视场绕光轴向两侧过渡到士 180°方位角对应的80° 100°俯仰角视场，所述俯仰角 视场随方位角呈三角余弦变化。优选的，所述全景镜头的指定视场环带中心为90°俯仰角对应的环带平面。优选的，所述全景镜头的变焦比为2。本专利技术还提供了一种全景镜头的变焦方法，包括，自由曲面全景镜头沿光轴旋转。本专利技术提供了一种全景镜头，包括了自由曲面折反光学元件、自由曲面转像镜头， 所述自由曲面转像镜头与所述自由曲面折反光学元件共用同一光轴，且处于所述自由曲面 折反光学元件下方；其中自由曲面折反光学元件包括第一透射面、第一反射面、第二反射面 和第二透射面；在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面以及自由曲面转 像镜头之间形成光线传输通路，光线经第一透射面折射进入所述自由曲面折反光学元件， 再通过第一反射面和第二反射面的两次反射，从第二透射面折射而出，所述折射出的光线 通过自由曲面转像镜头成像。本专利技术通过所述全景镜头自身绕光轴旋转实现以指定的视场 环带中心变焦，指定视场环带中心不变。由于视场缩放中心由光轴变为指定的视场环带中 心，解决了变焦过程中视场偏离目标观测区域的问题。附图说明图1现有技术中普通全景镜头的成像光路示意图，Sl是折反光学元件，S2是转像 透镜，S3是像面，S4是光轴，α是最小俯仰角，β最大俯仰角，Y是俯仰角视场范围，δ是 方位角；图2采用传统变焦方式的全景镜头成像示意图；图3采用传统变焦方式的全景镜头的视场变化4实际期望的保持观测中心不变的变焦全景透镜的视场变化图；图5采用自由曲面光学元件实现变焦全景镜头各方位角视场及相对应的俯仰角 视场的三维设置示意图；图6本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现变焦全景镜头各方位角视场及 相对应的俯仰角视场的三维设置的平面展开图；图7本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头以指定的视场环带中心，完成视场缩放的成像光路图；图8本专利技术实施例的指定视场环带中心的自由曲面变焦全景镜头的三维结构图；图9本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头0°方位角对应的俯仰 角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图10本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头15°方位角对应的俯 仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图11本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头30°方位角对应的俯 仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图12本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头45°方位角对应的俯 仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图13本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头60°方位角对应的俯 仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图14本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头75°方位角对应的俯 仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图15本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头90°方位角对应的俯 仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图16本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头 俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图17本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头 俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图18本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头 俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图19本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头 俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图20本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头 俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；图21本专利技术实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头 俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)具体实施例方式为了进一步了解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术的优选实施方案进行描述，但 是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点而不是对本专利技术专利要求的 限本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种全景镜头，其特征在于，包括：自由曲面折反光学元件、自由曲面转像镜头；所述自由曲面转像镜头与所述自由曲面折反光学元件共用同一光轴，且所述自由曲面转像镜头处于所述第二透射面的下方；所述自由曲面折反光学元件包括：第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射面；在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面和自由曲面转像镜头之间形成光线传输通路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马韬，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：32