CN115469436A - 紧凑型全景环带光学*** - Google Patents

紧凑型全景环带光学*** Download PDF

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CN115469436A CN202110647437.4A CN202110647437A CN115469436A CN 115469436 A CN115469436 A CN 115469436A CN 202110647437 A CN202110647437 A CN 202110647437A CN 115469436 A CN115469436 A CN 115469436A
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刘智颖
肖升哲
黄蕴涵
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    • G02B17/086—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors wherein the system is made of a single block of optical material, e.g. solid catadioptric systems

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Abstract

紧凑型全景环带光学***涉及光学***技术领域，解决了现有结构简易紧凑性差的问题，该***包括沿光轴顺次设置的全景头部单元、孔径光阑、中继镜组和图像传感器，所述全景头部单元位于孔径光阑左侧，所述全景头部单元包括旋转对称的第一Q‑con非球面和旋转对称的第二Q‑con非球面，第一Q‑con非球面和第二Q‑con非球面面型相同且均向左凸起，第一Q‑con非球面位于全景头部单元左侧面上，包括圆形反射面和环形透射面，圆形反射面位于环形透射面的环中，第二Q‑con非球面位于全景头部单元右侧面上，包括圆形透射面和环形反射面，圆形透射面位于环形反射面的环中。本发明视场宽广、畸变较小、加工制造容易、结构更简易紧凑。

Description

紧凑型全景环带光学***
技术领域
本发明涉及光学***技术领域，具体涉及紧凑型全景环带光学***。
背景技术
镜头全景环带光学***是一种折反射式全景***，一般由全景头部单元与中继镜组组成。全景环带光学***利用的平面圆柱投影法将围绕***光轴360°的范围、垂直视场一定角度内的物通过其特殊的***成像到二维平面的圆环区域。由于全景环带光学***结构紧凑、视场宽广，畸变较小的特点从而广泛应用于各个领域。
随着全景环带光学***的发展，对此***结构的简易化与紧凑化有了更高的要求，考虑到传统头部单元的面型单一会带来头部单元体积变大、光学***不够紧凑等问题，目前有大多数方法是在全景头部单元加入胶合面或者在中继***中加入非球面，使***复杂程度增高，***体积增大，不易于***紧凑性。
发明内容
为了解决现有紧凑型全景环带光学***的紧凑性较差且亟需提高的问题，本发明提供紧凑型全景环带光学***。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
紧凑型全景环带光学***，包括沿光轴顺次设置的全景头部单元、孔径光阑、中继镜组和图像传感器，所述全景头部单元位于孔径光阑的左侧，所述全景头部单元包括旋转对称的第一Q-con非球面和旋转对称的第二Q-con非球面，第一Q-con非球面和第二Q-con非球面面型相同、且均向左凸起，第一Qcon非球面位于全景头部单元的左侧面上，包括圆形反射面和环形透射面，圆形反射面位于环形透射面的环中，第二Q-con非球面位于全景头部单元的右侧面上，包括圆形透射面和环形反射面，圆形透射面位于环形反射面的环中；
入射光束经环形透射面入射到全景头部单元中、依次经环形反射面反射、经圆形反射面反射后经圆形透射面从全景头部单元射出，从圆形透射面射出的光束依次经过孔径光阑限束、经过中继镜组会聚和像差矫正后在图像传感器上成像。
本发明的有益效果是：
本发明紧凑型全景环带光学***通过对全景头部单元的设计，创造性的将两个旋转对称的Q-con非球面带入到全景头部单元，通过将Q-con非球面厚度与口径在***允许情况下能够适当减少提高紧凑性，实现了全景环带光学***整体的紧凑性，通过第一Q-con非球面和第二Q-con非球面面型相同降低加工难度，本发明紧凑型全景环带光学***兼具视场宽广、畸变较小、加工制造容易、进一步紧凑化等优点。
附图说明
图1为本发明的紧凑型全景环带光学***的结构示意图。
图2为本发明的紧凑型全景环带光学***的全景头部单元的结构图。
图3为本发明的紧凑型全景环带光学***的复色光衍射MTF图。
图4为本发明的紧凑型全景环带光学***的点列图。
图中：1、环形透射面，2、环形反射面，3、圆形反射面，4、圆形透射面，5、第一环形吸光面，6、第二环形吸光面，7、第三环形吸光面，8、孔径光阑，9、第一双胶合透镜，10、第二双胶合透镜，11、场镜，12、图像传感器，13、全景头部单元，14、中继镜组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
紧凑型全景环带光学***，如图1，包括沿光轴顺次设置的全景头部单元13、孔径光阑8、中继镜组14和图像传感器12，具体为全景头部单元13、孔径光阑8、中继镜组14和图像传感器12从左至右顺次设置，左右仅是作为两个区别方向进行描述。如图2，全景头部单元13包括第一Q-con非球面和第二Q-con非球面，第一Q-con非球面和第二Q-con非球面均为旋转对称面。第一Q-con非球面和第二Q-con非球面的面型相同，确定面型的各个参数均相同。第一Q-con非球面位于全景头部单元13的左侧面上，第一Q-con非球面向左凸起，第一Q-con非球面包括圆形反射面3和环形透射面1，圆形反射面3位于环形透射面1的环中，环形透射面1内边沿与光轴的距离大于等于圆形反射面3外边沿与光轴的距离。第二Q-con非球面位于全景头部单元13的右侧面上，第二Q-con非球面向左凸起，第二Q-con非球面包括圆形透射面4和环形反射面2，圆形透射面4位于环形反射面2的环中，环形反射面2内边沿与光轴的距离大于等于圆形透射面4外边沿与光轴的距离。
全景环带光学***的光路传输过程为：入射光束经环形透射面1入射到全景头部单元13中，在全景头部单元13中，依次经环形反射面2反射、经圆形反射面3反射后经圆形透射面4从全景头部单元13射出；从圆形透射面4射出的光束经过孔径光阑8限束、中继镜组14会聚和像差矫正后在图像传感器12上成像。
第一Q-con非球面和第二Q-con非球面口径不同，第一Q-con非球面的口径大于第二Q-con非球面的口径。第一Q-con非球面和第二Q-con非球面口径不同，面型公式相同，即第一Q-con非球面和第二Q-con非球面的矢高表达式相同，矢高表达式z(ρ)为：
Figure BDA0003109662010000031
其中，{ρ，θ，z}为第一Q-con非球面或第二Q-con非球面的圆柱坐标系坐标，ρ2＝x2+y2，ρ表示半口径，{x，y，z}为第一Q-con非球面或第二Q-con非球面的直角坐标系坐标，光轴所在的直线和z轴重合，k为圆锥系数，Qcon非球面表示第一Q-con非球面或第二Q-con非球面，c为Q-con非球面顶点曲率半径，u为归一化坐标，-1≤u＝ρ/ρmax≤1，ρmax表示ρ的最大值，
Figure BDA0003109662010000032
为正交多项式，am为
Figure BDA0003109662010000033
的系数，m取值为[0，M]的所有整数，M为大于0的整数。第一Q-con非球面和第二Q-con非球面这两个面除口径外均相同，便于加工制作，提高了加工效率。
与光轴的夹角范围为X°～y°的光线能够从环形透射面1入射到全景头部单元13中，42≥X＞0，Y≥82，全景头部单元13的半视场角可大于90°；本实施方式中X＝42，Y＝82，半视场角范围为42°～82°。本实施方式中，第一Q-con非球面还包括位于圆形反射面3和环形透射面1之间的第一环形吸光面5，所述第一环形吸光面5外边沿连接环形透射面1内边沿，第一环形吸光面5内边沿连接圆形反射面3外边沿。全景头部单元13还包括位于全景头部单元13右侧的第二环形吸光面6，环形反射面2位于第二环形吸光面6的环中，环形反射面2外边沿与光轴的距离小于等于第二环形吸光面6内边沿与光轴的距离，具体可为环形反射面2外边沿连接第二环形吸光面6内边沿，即第二环形吸光面6和第二Q-con非球面共同作为全景头部单元13的右侧面。全景头部单元13还包括第三环形吸光面7，环形透射面1和第二环形吸光面6均位于第三环形吸光面7的环中，具体为：第三环形吸光面7的切面平行于光轴，第三环形吸光面7连接环形透射面1和第二环形吸光面6。上述第一环形吸光面5、第二环形吸光面6和第三环形吸光面7均用于吸收杂散光。
两个除口径外各种参数均相同的Q-con非球面的间隔为20mm，曲率半径c＝11.52mm，圆锥系数k＝-0.82，最大半口径ρmax＝26mm，各项正交多项式的系数分别为：a0＝-9.97，a1＝1.15，a2＝0.397，a3＝0.285，a4＝0.248，a5＝-0.396，两个Q-con非球面唯一不同的是Q-con非球面的口径为40.8mm，第二Q-con非球面口径为11.3mm。
中继镜组具有会聚和像差矫正的作用，上述中继镜组14包括沿光轴从左至右顺次设置的第一双胶合透镜9、第二双胶合透镜10和场镜11，第一双胶合透镜9、第二双胶合透镜10和场镜11均对从左侧入射到其上的光束有会聚作用。从圆形透射面4射出的光束依次经过孔径光阑8限束、第一双胶合透镜9会聚、第二双胶合透镜10会聚、场镜11会聚后在图像传感器12上成像。中继镜组14采用两个双胶合透镜与场镜11，既保证整体的紧凑性与简洁性，也可以减小该镜头的色差等像差。上述图像传感器12可采用但不限定CCD或者CMOS。
采用如图1所示的结构、上述Q-con非球面参数和半视场角范围为42°～82°，光学***尺寸(从左至右的长度)可以做到55mm以下。图3本发明光学***的复色光衍射的半视场MTF图，T表示子午方向，S表示弧矢方向，图4为波长为486.133nm、587.562nm、656.273nm光束所对应的点列图，入射角从小到大的五个视场分对应的RMS半径分别为3.136um，2.783um，2.969um，3.314um，2.956um，根据图3和图4可知本发明紧凑型全景环带光学***的成像质量优良，能够满足现有技术的像质需求。
本发明的全景头部单元13的作用主要是将大视场的光线折反射并汇聚至中继镜组14，为了全景环带光学***的紧凑性，将两个面型相同旋转对称的Q-con非球面带入到全景头部单元13，Q-con非球面厚度与口径在***允许情况下适当减少提高紧凑性，且为了降低成本，可采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等塑料材质。因此本发明紧凑型全景环带光学***通过对全景头部单元13的设计，实现了全景环带光学***整体的紧凑性，兼具了视场宽广、畸变较小、加工制造容易、进一步紧凑化等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.紧凑型全景环带光学***，包括沿光轴顺次设置的全景头部单元(13)、孔径光阑(8)、中继镜组(14)和图像传感器(12)，所述全景头部单元(13)位于孔径光阑(8)的左侧，其特征在于，所述全景头部单元(13)包括旋转对称的第一Q-con非球面和旋转对称的第二Q-con非球面，第一Q-con非球面和第二Q-con非球面面型相同、且均向左凸起，第一Q-con非球面位于全景头部单元(13)的左侧面上，包括圆形反射面(3)和环形透射面(1)，圆形反射面(3)位于环形透射面(1)的环中，第二Q-con非球面位于全景头部单元(13)的右侧面上，包括圆形透射面(4)和环形反射面(2)，圆形透射面(4)位于环形反射面(2)的环中；
入射光束经环形透射面(1)入射到全景头部单元(13)中、依次经环形反射面(2)反射、经圆形反射面(3)反射后经圆形透射面(4)从全景头部单元(13)射出，从圆形透射面(4)射出的光束依次经过孔径光阑(8)限束、经过中继镜组(14)会聚和像差矫正后在图像传感器(12)上成像。
2.如权利要求1所述的紧凑型全景环带光学***，其特征在于，所述第一Q-con非球面和第二Q-con非球面的矢高表达式相同，矢高表达式z(ρ)为：
Figure FDA0003109662000000011
其中，{ρ，θ，z}为第一Q-con非球面或第二Q-con非球面的圆柱坐标系坐标，ρ2＝x2+y2，{x，y，z}为第一Q-con非球面或第二Q-con非球面的直角坐标系坐标，k为圆锥系数，c为非球面顶点曲率半径，u为归一化坐标，
Figure FDA0003109662000000012
为正交多项式，am为正交多项式系数，m取值为[0，M]的所有整数，M为大于0的整数。
3.如权利要求1所述的紧凑型全景环带光学***，其特征在于，入射到所述环形透射面(1)的光线与光轴的夹角范围为X°～Y°，X≤42，Y≥82。
4.如权利要求1所述的紧凑型全景环带光学***，其特征在于，所述第一Q-con非球面的口径大于第二Q-con非球面的口径。
5.如权利要求1所述的紧凑型全景环带光学***，其特征在于，所述第一Q-con非球面还包括位于圆形反射面(3)和环形透射面(1)之间的第一环形吸光面(5)，所述第一环形吸光面(5)连接圆形反射面(3)和环形透射面(1)。
6.如权利要求1所述的紧凑型全景环带光学***，其特征在于，所述全景头部单元(13)还包括位于全景头部单元(13)右侧的第二环形吸光面(6)，环形反射面(2)位于第二环形吸光面(6)的环中。
7.如权利要求6所述的紧凑型全景环带光学***，其特征在于，所述全景头部单元(13)还包括第三环形吸光面(7)，所述第三环形吸光面(7)连接环形透射面(1)和第二环形吸光面(6)，环形透射面(1)和第二环形吸光面(6)均位于第三环形吸光面(7)的环中。
8.如权利要求1所述紧凑型全景环带光学***，其特征在于，所述中继镜组(14)包括沿光轴从左至右顺次设置的第一双胶合透镜(9)、第二双胶合透镜(10)和场镜(11)，所述第一双胶合透镜(9)、第二双胶合透镜(10)和场镜(11)均对从左侧入射到其上的光束有会聚作用。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116338946A (zh) * 2023-03-21 2023-06-27 江苏敏而精密科技有限公司 非球面透镜、具有非球面透镜的光学***及光学设备

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