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CN108139570A - 用于热成像仪的光学系统 - Google Patents

用于热成像仪的光学系统 Download PDF

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CN108139570A
CN108139570A CN201680061162.3A CN201680061162A CN108139570A CN 108139570 A CN108139570 A CN 108139570A CN 201680061162 A CN201680061162 A CN 201680061162A CN 108139570 A CN108139570 A CN 108139570A
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C·马丁松斯
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Abstract

本发明涉及一种用于图像传感器的具有反射镜的光学系统，包括：布置在相同平面内并具有平行光轴(Oa、Ob)的两个对称的凹面反射镜(20a、20b)；以及布置在所述反射镜前方并具有两个相对边缘的图像传感器阵列(24)，所述两个相对边缘分别与两个反射镜的所述光轴基本相邻。所述图像传感器可以附接到不透明掩模(28)，所述不透明掩模(28)在所述图像传感器的周边包括位于每个反射镜(20)前方的入射光瞳(26)，所述入射光瞳(26)被包含在延伸超过所述图像传感器的所述反射镜的表面内。

Description

用于热成像仪的光学系统
技术领域
本发明涉及热成像仪，并且特别地，涉及适于这种成像仪的光学系统。
背景技术
热成像仪可以包括对大于2μm的波长敏感的图像传感器阵列，所述热成像仪设置有用于将图像聚焦在传感器上的光学系统。除了透镜使用对热辐射透明的材料之外，该光学系统可具有与用于可见光辐射的透镜类似的配置。这种材料昂贵并且通常具有低传输速率。
图1是如在专利申请WO 2002-063872中描述的适于热辐射的示例性低成本光学系统的示意性截面图。该光学系统包括以Gregorian望远镜配置布置的反射镜。来自观察场景的射线到达凹面主反射镜10(通常为抛物面)并被反射到次反射镜12(通常为凹椭圆形)。反射镜12将射线反射到位于主反射镜10的中央开口后面的图像传感器14。
次反射镜12位于场景与主反射镜10之间。该反射镜附接到过滤入射辐射的支撑体16。支撑体16对热射线具有高透明度以不损害成像仪的灵敏度。
由于该光学系统具有望远镜配置，因此它具有较窄的视场并且不适于室内场景。
发明内容
一种光学系统通常被设置用于热成像仪，所述光学系统包括位于相同平面内且具有平行光轴的两个对称的凹面镜；以及图像传感器阵列，其位于所述反射镜的前方并具有分别与所述两个反射镜的所述光轴基本相邻的两个相对边缘。
所述图像传感器可以附到不透明掩模，所述不透明掩模在所述图像传感器的周边包括位于每个反射镜前方的入射光瞳，所述入射光瞳被包含在延伸超过所述图像传感器的所述反射镜的表面内。
每个光瞳和对应的反射镜可以被配置为使得通过所述光瞳到达所述反射镜的平行于所述光轴的射线被反射朝向所述图像传感器的最近边缘；以及穿过所述光瞳并到达位于所述图像传感器下方的所述反射镜的边缘的在极限角处的射线被反射朝向所述图像传感器的对称轴。
所述光瞳可以分别与所述光轴相邻。
所述反射镜可以具有与所述光学传感器基本相同的形状因子，并且具有椭圆表面。
所述光学系统可以进一步包括被配置在四个相邻象限中的具有平行光轴的四个凹面反射镜，所述图像传感器的四个角分别与所述四个光轴基本相邻；以及分别位于所述图像传感器的所述四个角处的四个入射光瞳。
附图说明
根据以下对仅为了示例性目的而提供的并且在附图中示出的本发明的特定实施例的描述，其他优点和特征将变得更清楚明显，其中：
如前所述，图1是具有用于热成像仪的反射镜的常规光学系统的示意性截面图；
图2是使用反射镜的宽视场光学系统的实施例的示意性截面图；
图3是使用反射镜的宽视场光学系统的实施例的示意性正视图；
图4是图3的光学系统的透视图；以及
图5A和5B示出了由图3的光学系统在图像传感器阵列上投影的图像的示例以及鉴于对图像的处理的图像的变换。
具体实施方式
在图2中，具有宽视场的光学系统的实施例通过两个使用反射镜的光学子系统的对称组装而形成。两个子系统的反射镜20a和20b是凹面的并且具有朝向待观看的场景取向的平行光轴Oa和Ob。这两个反射镜位于相同平面内，并且可以沿位于光学系统的对称平面内的公共脊22相邻。
图像传感器阵列24位于与反射镜的平面平行的平面内、位于反射镜与场景之间、并相对于光轴偏移。如所示出的，传感器24与脊22重叠并且优选地到达两个光轴。传感器平面相对于反射镜的焦平面的位置决定焦距。焦平面穿过反射镜的光学焦点Fa和Fb。对于远处的物体，焦平面和传感器的平面将被合并。为了通过定焦光学系统对位于几米远的物体获得基本上清晰的(sharp)图像，如在待监视的房间中的物体，传感器的平面可以相对于焦平面而朝向场景偏移。
通过这种配置，如针对反射镜20a所示出的，沿着光轴Oa引导的入射射线擦过图像传感器24的最近边缘、到达反射镜的中心、并且被反射到与光轴对准的传感器的边缘。平行于光轴Oa并从传感器24的边缘偏移的入射射线r1通过焦点Fa出射并靠近传感器的边缘撞击传感器。
为了使本公开清楚，假定物理图像传感器的边缘与传感器的敏感区域的边缘重合。在实践中，敏感区域可能被设置为从传感器的边缘后退。这里描述的原理实际上适于传感器的敏感区域。
撞击公共脊22的倾斜射线r2以取决于射线在反射镜20a上的入射角的角度被反射。所示的射线r2与光轴Oa一起限定光学子系统的视场，即，射线r2具有由反射镜20a朝向传感器反射的射线中最大的角度。
在这种配置中，如所示出的，希望射线r2被反射朝向传感器24的对称轴。然后，以比射线r2的角度小的角度撞击脊22的任何射线(例如，射线r3)被反射朝向传感器24的相同上半部分。例如，可以通过适于光学系统的尺寸的椭圆面反射镜来满足该约束。
以比极限射线r2的角度大的角度到达脊22的射线将被反射朝向传感器24的第二下半部分。这不是期望的，因为传感器的第二半部分被与反射镜20b关联的第二光学子系统对称地使用。为了阻挡这样的射线，可以以适当大小的孔的形式提供离轴入射光瞳26a，该孔形成在对所使用的辐射不透明的掩模28中。然后为第二光学子系统提供对称的光瞳26b。
掩模28可以沿着光轴以大的活动余地(latitude)放置，光瞳26a的尺寸和位置由光轴Oa和极限射线r2形成的生成线限定。优选地，如所示出的，掩模28被放置在图像传感器24的平面内，使得其可以直接用作用于附接传感器的支撑体。
光瞳26a不阻挡穿过脊22并到达第二反射镜20b的倾斜射线。这样的射线不影响成像仪，因为它们被反射镜20b反射到传感器24外部。
通过由此关联两个离轴对称光学子系统，成像仪的视场可以在光轴的平面内加倍。为了在所有方向上将视场加倍，可以如下所述将四个离轴光学子系统组装在一起。
图3是在所有方向上具有宽视场的光学系统的实施例的示意性正视图。具有平行光轴的四个凹面反射镜20a至20d被配置在相邻的四个象限Q1至Q4中。图像传感器24可以在四个象限的上方居中并且其四个角优选地分别与反射镜的四个光轴相邻。反射镜可以具有与传感器相同的形状因子并且沿着包含在光学系统的两个正交对称平面中的脊而相邻。反射镜和传感器在这里是方形的，但它们可以是矩形的。
四个入射光瞳26a至26d分别与四个反射镜20a至20d关联。在这个实施例中，光瞳可以分别与四个光轴相邻，该四个光轴本身与传感器24的四个角相邻。光瞳26还位于图像传感器的对角线上-图2由此可以被视为沿图3的系统的对角线的截面图。
光瞳26已经以圆形形式示出。它们可以是矩形，并具有与图像传感器相同的形状因子。然而，圆形光瞳充当光阑-取决于光瞳沿光轴的位置的光瞳的直径影响光学系统的景深和传输到传感器的辐射量。优选地，如所示出的，每个光瞳被包含在延伸超过图像传感器的反射镜表面区域中。通过这种配置，所有平行于光轴并穿过光瞳的射线都会到达反射镜。
虚线区域对应于由光瞳26a和26d投影到图像传感器24的平面上的图像。这些图像基本上是在对图像传感器的象限划界的对称轴处被截取的圆。所截取的圆的直径原则上等于传感器的对角线的一半，使得到达四个反射镜之间的公共点的对角极限射线(图2中的r2)被反射朝向图像传感器的中心。
相邻脊处的反射镜表面的质量限定了圆形图像的被截取的边缘的质量。在实践中，难以制造质量恒定的脊。由此，形成在四个象限中的图像可能沿着传感器的对称轴具有模糊的边缘。这不是一个问题，如将在稍后公开的。
图4是图3的四象限光学系统的透视图。该视图在前景中示出了掩模28，其在图3的视图中未示出。传感器的一些元件通过穿过掩模28而透明来示出。由于掩模28可以具有一定的厚度，用于确保图像传感器24的稳定支撑，因此根据由光轴和对应的极限射线r2(图2)形成的生成线限定的圆锥体，入射光瞳26优选为截头圆锥状。如果它们不完全是截头圆锥状，则光瞳可以由几个接近截头圆锥形状的不同半径的圆柱部分形成。
图5A和5B示出了由图3或4的光学系统投影到图像传感器24上的图像的示例，以及鉴于对图像进行处理的图像的变换。观看的对象是放置在成像仪视场中心的圆。
回顾一下，如图2关于双反射镜光学系统所示例的，源自观看场景中心的平行于光轴的射线被反射朝向传感器的边缘，而来自于场景边缘的射线被反射朝向传感器的中心。由此，场景的中心被反射朝向传感器的边缘，而场景的边缘被反射朝向传感器的中心。由此通过交换由图像传感器的两半部分所产生的半个图像来获得有用的最终图像。
在图5A中，在图3和图4的类型的四个反射镜系统中，场景的中心被反射朝向传感器的角，而场景的角被反射朝向传感器的中心。由此，如所示出的，视场中心的圆被图像传感器感知为在传感器四个角处的相应的四分之一圆。
在图5B中，为了重建圆的可用图像，由传感器提供的图像的四个象限被对角地交换，如图5A中的箭头所示。由此，象限Q1与象限Q3交换，而象限Q2与象限Q4交换。
由此，最终图像的边缘接收最初位于传感器对称轴处的部分，即，由相邻反射镜之间的脊反射的射线形成的部分，这些部分可能通过脊的表面质量恶化。因此，归因于脊的缺陷在最终图像的边缘处被发现，这些边缘在实践中不传达任何有用的信息。
最终图像的中心具有与由传感器隐藏的部分相对应的盲区。然而，该盲区被限定在平行于光轴而穿过的射线之间，其中该盲区对应于传感器的尺寸在视场中心的物体上的投影区。如果物体足够远，则投影区可能比传感器的像素小得多，由此完全不可察觉。
通过示例的方式，成像仪被实现为具有约80°的视场，椭圆形反射镜具有0.199的圆锥常数和12.067mm的曲率半径。反射镜和图像传感器阵列具有约13.6mm的相同的对角线。图像传感器被放置在离椭圆形中空约5.7mm处的反射镜的光学焦平面中。光瞳具有3.8mm的直径。通过这些尺寸，可以获得0.2至20米的令人满意的清晰度的图像。
本文描述的实施例的许多变化和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，反射镜不需要彼此接触。在两个相邻反射镜的边缘之间可能存在间隙，这导致位于图像传感器上的没有信息的中心带。对应于图像的边缘这个带通常不会传达有用的信息。
除了提供覆盖全部四个象限的单个图像传感器之外，可以为每个象限提供单独的图像传感器-该解决方案比提供单个传感器更昂贵。
优选地，传感器的边缘，或者更确切地说，传感器的敏感区域的边缘与光轴相邻。当然，这种配置可以在容裕度的极限内被考虑。如果边缘被设置为从光轴后退，信息可能会在视场的中心区域中丢失。如果边缘超过光轴突出，传感器的突出部分将不会被照射，并会在重建图像的中心导致黑带。这最后一种情况比第一种情况要好，因为没有信息损失-黑带可以通过对图像进行后期处理来消除。

Claims (5)

1.一种用于热成像仪的光学系统，包括：
两个对称的凹面反射镜(20a、20b)，其位于相同平面内且具有平行光轴(Oa、Ob)；
图像传感器阵列(24)，其位于所述反射镜前方并具有分别与所述两个反射镜的所述光轴基本相邻的两个相对的边缘；以及
不透明掩模(28)，所述图像传感器(24)附接到所述不透明掩模(28)上，所述掩模在所述图像传感器的周边包括位于每个反射镜(20)前方的入射光瞳(26)，所述入射光瞳(26)被包含在延伸超过所述图像传感器的所述反射镜的表面内。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中每个光瞳(26)和对应的反射镜(20)被配置为使得：
通过所述光瞳(26)到达所述反射镜的与所述光轴平行的射线(r1)被反射朝向所述图像传感器的最近边缘；以及
穿过所述光瞳并到达位于所述图像传感器下方的所述反射镜的边缘(22)的在极限角处的射线(r2)被反射朝向所述图像传感器的对称轴。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述光瞳(26)分别与所述光轴相邻。
4.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述反射镜(20)具有与所述光学传感器基本相同的形状因子，并且具有椭圆表面。
5.根据权利要求1所述的光学系统，包括：
被配置在四个相邻的象限中的具有平行光轴的四个凹面反射镜(20a-20d)，所述图像传感器(24)的四个角分别与所述四个光轴基本相邻；以及
分别位于所述图像传感器的所述四个角处的四个入射光瞳(26a-26d)。
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