双通道大视场紧凑型成像系统的结构优化

大视场是光学设计的一个难题,因为视场越大光学系统的轴外像差越复杂。为了承担各个视场的光束,广角镜头第一片透镜的口径往往较大,然而体积小、结构紧凑也是光学系统设计的一个重要目标。在折射式或反射式光学系统中,大视场和紧凑化往往难以兼得。然而,在一些特殊应用场合,既有大视场高像质的成像需求,光学系统的重量和尺寸却又严格受限。因此,突破传统的结构形式,采用复杂的面型表征,开发新型的优化控制方法,是设计大视场紧凑型光学系统的重要途径。

12.5.1.1　大视场成像系统的结构形式

在大视场成像领域,主要有两种方式实现大视场成像:扫描拼接成像法和直接拍摄成像法。扫描拼接成像法通过单镜头的扫描或是多镜头的同时拍摄,需要后期的视场拼接和图像处理,会导致实时性差等问题。因此,本书只考虑单镜头的直接拍摄成像方案。

大视场成像系统有很多种,折反式全景成像系统属于其中的一种,其结构如图12-44所示。该系统由前置反射镜、成像透镜组和成像探测器三个部分构成。光束从系统侧向入射,由前置反射镜将其传播方向折转为一个与系统光轴夹角较小的入射角度,再经成像透镜组的像差校正成像于探测器上。其中,反射镜是实现系统大视场成像的关键光学元件。但是,这种结构的反射镜口径往往较大,并且对装配精度的要求很高,若前置反射镜与成像透镜组之间的安装距离略有误差,在图像上不易察觉,但会造成物像关系的偏差。

图12-44　折反式全景成像系统

鱼眼镜头也是一种典型的超广角、大孔径光学系统,其结构如图12-45所示。第一片弯月形透镜可以实现超广角入射光线的大倾角变化,曲率半径通常较小,使得其形状呈抛物状向前突出,与鱼的眼睛非常相似,因此被称作“鱼眼镜头”。除第一片弯月形透镜外,鱼眼镜头通常还采用两块或三块负透镜作为前透镜组,用来将物方的超大视场压缩至常规镜头的视场范围;再通过多片正透镜组成的后继透镜组,来提高系统的相对孔径并进行像差校正,最终成像于探测器。大视场成像系统的结构形式中,鱼眼镜头的优势除了可实现超广角成像外,它的设计方法也较为成熟,可参考的实例较多,且该结构抗杂散光能力也较好。

图12-45　经典的鱼眼镜头结构

鱼眼镜头的典型特征是其第一片弯月形负透镜,它可以实现对半球视场甚至超半球视场的覆盖。但也正是这片弯月形透镜的存在,会导致系统口径过大,难以小型化。同时,从结构中也可以看出鱼眼镜头结构复杂,镜片数较多,高质量的鱼眼镜头通常要采用10片以上的透镜组成后继镜组。若实现大视场成像,必然造成系统难以紧凑化、轻量化。此外,在实现大视场的同时,边缘视场引入了大量的负畸变,边缘区域的图像被极大地压缩,因此边缘分辨率较低。然而,若这种结构只承担适当视场范围的成像时,这些问题的影响较小。

当然,大视场成像系统不止以上两种结构,还包括仿生复眼系统、同心球透镜系统等其他结构类型。在本节的大视场成像系统设计中,需要探索紧凑型双通道大视场光学设计方法,需综合考虑两个通道结构的可融合性,确定双通道的结构选型,所以不再对其他类型的大视场成像系统作过多描述。

12.5.1.2　紧凑型成像系统的结构形式

紧凑型成像系统,顾名思义,就是在有限的空间体积内,各光学元件之间排布紧密、合理。折反型光学系统,尤其由承担一次或是多次折射和反射的折反混合镜构成的系统类型,就是紧凑型成像系统的一种典型结构。

折反型光学系统的结构形式多种多样,图12-46所示的是一种超薄环形折叠成像系统。整个光学系统仅由单块玻璃材料构成,光线通过最外侧的环形孔径进入光学系统;然后通过前、后表面的反射镜来回多次反射,光线的反射路径呈Z字形,最后到达成像探测器。这种折叠式镜头的结构就是通过光束的折叠,减小系统的体积和重量,增加结构的紧凑性,该系统总长仅为13.8mm,常用作重量和尺寸都严格受限的微型无人机的远程监视系统等。但是,该系统视场范围仅4.8°,这种结构获取的视场范围极其有限,无法达到大视场成像系统的目标需求。(www.xing528.com)

图12-46　超薄环形折叠成像系统

全景环带系统(Panoramic Annular Lens,PAL)也是一种典型的紧凑型成像系统,由头部单元(PAL block)和后继镜组(Relay Lens)构成。头部单元通常集成了两个反射面和两个折射面为一体,可实现大角度的光线偏折。一定程度上压缩了入射角,再通过正光焦度的后继镜组成像到探测器上,系统结构形式如图12-47所示。α～β视场范围内的入射光线与全景环带光学系统的光轴夹角很大。当光线经头部单元的两次折射和两次反射后,减小了与光轴的夹角,使其以一个小角度入射至后继镜组。这样,使得入射至后继镜组的光线变成小视场光束,由此降低该镜组校正像差的压力,减小后继镜组的设计难度。所以,全景环带系统头部单元的作用,主要是通过对光线的偏折以获取大视场。同时,采用光束多次折反的方式使得结构非常紧凑,且一体化的光学元件更易于加工和装调。后继镜组承担了将头部单元对物方所成的中间虚像进行二次成像的任务,并对整个系统校正像差。该系统在子午平面上的成像光路如图12-47(a)所示,弧矢平面内成像于如图12-47(b)所示的圆环区域,视场β对应环形成像区域的外圈边界,视场α对应环形成像区域的内圈边界。中央的圆形区域为成像盲区,这也是该系统被称为全景环带系统的原因。该系统像面照度均匀,边缘不存在严重畸变,广泛用于安防监控、管道内壁检测、机器视觉、医用内窥等领域。

图12-47　全景环带系统示意图

(a)系统结构;(b)成像区域

紧凑型成像系统的结构类型不止以上这两种,还包括折反式超短距投影系统、楔形棱镜头戴显示系统等其他形式。但这里的紧凑型成像系统同样是用来作为设计双通道大视场紧凑型成像系统其中一个通道的结构选型,仍需考虑与另一通道结构形式的匹配度,所以不再对其他类型的紧凑型成像系统作过多描述。

12.5.1.3　双通道大视场紧凑型成像系统的结构形式

过去的大视场成像系统,利用系统中第一片大口径光学元件,对大视场入射光束进行大角度偏折,压缩入射光束的视场角,再经后继镜组的像差校正成像于探测器上。所以,系统结构由于大口径光学元件的存在,必然很难小型化。紧凑型光学系统的实现,是通过系统中含有承担一次或是多次折、反射的光学元件,对成像光路进行折叠,以达到结构紧凑的效果;同时,使光束多次折反的一体化光学元件使得系统便于加工和装调。但这种结构形式往往难以承担大视场成像。

所以,为了兼顾大视场和紧凑化的设计需求,作者团队采用双通道的结构形式,在有限的系统体积内,通过前向视场结构和侧向视场结构的合并,折反混合透镜上折射面和反射面的拼接融合,获取物方连续的大视场。

选择鱼眼镜头作为前向视场结构,PAL系统作为侧向视场结构,分别选用鱼眼镜头的0～α视场(图12-45)和PAL系统的α～β视场(图12-47)作为两通道的有效视场范围,保证物方视场连续。双通道大视场紧凑型成像系统的结构如图12-48所示。由于两个结构共同承担了各自适当的视场范围,所以鱼眼镜组的第一片弯月形透镜口径不至于过大。两个结构分别成像于像面的不同区域。PAL系统成像存在中央盲区,像面呈环形。鱼眼镜头则恰好可以弥补PAL系统成像存在盲区的弊端,成像于其中央盲区的圆形区域,最大限度地提升了探测器的使用效率。这里值得注意的是,为了避免成像探测器上图像混叠而便于后期的图像拼接、处理,需使得两个成像区域之间存在适当间隙,便于区分,所以设计时需保证两个通道的焦距不同。

图12-48　大视场双通道紧凑型成像系统结构示意图