[发明专利]一种用于DMD相机的光学系统

说明书

一种DMD相机的成像光学系统，本系统由两部分组成，成像光学系统及中继光学系统。成像光学系统可以实现25.6‑30.72mm连续变焦的远心光路结构，中继光学系统采用优化了的双高斯结构，同时在中继光学系统中加入一个偏心透镜，用以校正偏心像差。系统中用TIR棱镜将两个光学系统分开，TIR棱镜由两个直角棱镜胶合而成，且胶合表面留有一定空气间隔。本发明专利适用于DMD相机的光学系统，以及包含有DMD且成像器件是CCD或CMOS的光学系统设计中。

技术领域

本发明专利涉及一种可见光成像光学系统，尤指包含有DMD的成像光学系统，即适用于DMD相机的可见光成像光学系统。

背景技术

专利号2014101077388的发明专利中所述及了一个DMD（Digital Micro-mirrorDevices）调制成像系统（DMD相机），该系统是将DMD引入到成像光学系统中，以实现对获得图像信息进行调制，屏蔽图像中的饱和区域，保证图像信息的完整。这对3D测量、监控、车载摄像以及机器视觉等领域都具有一定的应用价值。

光学系统是DMD相机的核心部分。由于DMD的引入，势必对原成像光学系统的设计产生影响。DMD是由美国TI公司研制生产的，它由成千上万微反射镜组成，每个微反射镜可以对角线为轴做±12º的偏转，是一个二维空间光调制器。目前，DMD最常见的应用是投影仪，其光学系统由照明光学系统和投影光学系统组成，只要保证照明的均匀性，即可满足使用要求，根据不同的设计方法和结构，投影光学系统的设计只需校正本身的像差即可。而本发明所述及的DMD相机光学系统其接收系统是成像器件，通常为CCD或CMOS。这对光学系统提出了更高的要求。

包含有DMD的光学系统基本有以下三种结构。

1.利用DMD微反射镜的工作原理设计光学系统

这种光学系统由两个光路组成，两个光轴夹角24º。这种光学系统最大的缺点就是两路光学系统的元件相互影响。虽然可以通过增加一路光学系统的后工作距离避免元件的相互干涉，但这也同时意味着光学系统设计的难度增加。

2.非远心光路结构

非远心光路结构的一路光学系统的出瞳位于DMD器件的有限远处，并与另一路光学系统的入瞳相匹配。这种光路结构利用场镜可以将两个光路分开，但是其中一个光路要设计成离轴光学系统。当成像器件是CCD/CMOS时，无疑增加了设计难度，甚至无法实现。

3.远心光路结构

远心光路结构中一路光学系统的出瞳位于DMD器件的无穷远处，即入射到DMD微反射镜上的光束入射角分布均匀，这对后续光学系统的设计具有一定的帮助。同时，利用TIR（Total Internal Reflection）棱镜对两个光路进行分光，可以保证两个光路的角度足够大，不用担心两个光路中的光学元件相互干涉的问题。同时，TIR棱镜的引入有助于缩短两个光学系统的后工作距离，降底光学系统设计难度。

基于以上几方面的考虑，本发明专利采用的是远心光路结构。一路光学系统为成像光学系统，将外界景象成像到DMD上。另一路光学系统是中继光学系统，连接DMD与CCD/CMOS。成像光学系统要满足远心光路结构，中继光学系统需要校正系统本身的像差外，还要校正成像光学系统中所引入的球差、慧差、像散、场曲、畸变等像差，还要校正由TIR棱镜所引入的色差。同时，系统还要考虑，满足成像光学系统的光轴垂直于DMD微反射镜“平”态时的法线方向时，意味着中继光学系统光轴与之夹角12º。此时，对于中继光学系统，物面（DMD）与光轴不垂直，倾斜的物面所成的像亦是倾斜的，所以，像面（CCD/CMOS）亦与光轴成一夹角。这些都给光学系统的设计增加了难度。

本发明专利提出一种DMD相机的光学系统，通过设计结果及实验分析，本光学系统的成像质量良好。适用于DMD相机的光学系统中。

发明内容