紧凑型红外全景镜头设计

    1 引  言

    传统镜头一般遵循中心投影法,只能对较小的视场成像,不能直接实现360b全景成像。为满足三维空间全景成像的应用要求,需要对360b全景视场分段成像,然后对所成的像进行无缝拼接,这种成像模式不能满足实时成像的要求,因而在实时性要求较高的场合受到了限制[1, 2]。在特殊环境的军事监控以及地下管道探测等领域,需要能够在红外波段工作,且满足360b实时成像的红外全景镜头。由于仪器性能的需要,要求安装在仪器上的镜头的重量、体积以及结构尽可能小地影响仪器性能。为满足应用的需求,出现了各种不同类型的红外全景镜头,如红外鱼眼镜头[3~5]、单反射面折反射红外全景镜头[3]以及4个反射面的折反射红外全景镜头[6],这些镜头都能满足360b实时成像的要求,然而其结构都较为复杂,像差校正困难,且单反射面折反射红外全景镜头外形尺寸较大,不能满足小型化和集成化的要求。1986年,P. Greguss[7]`提出了全景环形镜头模型。这种镜头遵循平面圆柱投影法,能够对环绕光轴360b的柱面场景成一平面环形像,其镜头的主要部分可以做成模块,能够满足小型化和集成化的要求,且结构简单,成像性能良好,因而得到了广泛的应用。之后,Ian Powell[5,8]利用全景环形镜头模型设计的红外镜头充分利用了Greguss模型的优势,实现了较好的成像效果。

    P. Greguss提出的全景环形镜头模型,成像原理为由两个折射面和两个反射面构成前面的模块,以一定角度入射的光束经全景环形成像模块的两次折射和两次反射后在全景环形模块的内部或后面形成一虚像,中继系统转接中间虚像,并将最后的像成在像面传感器上。全景环形结构的两次反射都发生在全景环形模块的内部,其特殊的结构和成像模式使其对光线的走向有严格的限制,入射的全口径光束中仅有一部分能通过全景环形镜头成像,所以入射光束的宽度相对较小,且不同角度入射的光束从第一个折射面的不同位置入射,相当于扫描成像系统中的角度扫描,整体系统近似满足f-H成像,像高h = fH[8~10]。

    本文分析了全景环形镜头的成像特性,并在Ian Powell镜头的基础上,运用CODE-V软件设计了一款工作在3~5Lm波段的紧凑型红外全景镜头,其尺寸、重量、灵敏度和分辨率以及成像范围等都优于IanPowell镜头。

    2 紧凑型红外全景镜头设计

    2.1 初始结构选取

    全景环形镜头模型的独特优势,使其在红外全景成像中得到广泛应用。Ian Powell利用全景环形镜头模型设计了一款工作在3~5Lm红外波段的全景镜头[8],其成像视场为?70b~?110b,F数为1.5,总长130 mm,像差小于0.02 mm,该镜头在结构和成像质量上都存在非常大的优势,具有非常好的应用前景。