[发明专利]三反射镜全景相机

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2008年8月14日提交的申请号为61/088,983的美国临时申请的优先权，所述申请公开的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及图像检测。更为具体地，本发明涉及适于超广视场角的全景相机。

背景技术

目前已知存在许多采用各种折射和反射光学元件的全景成像相机和光学系统。例如，严格由折射透镜构成的鱼眼透镜。鱼眼透镜可覆盖非常宽的视场，高达220度。鱼眼透镜的缺点是众所周知的。所述缺点之一为在宽视场内图像照度和分辨率不均匀。单纯的折射光学系统(例如鱼眼透镜)通常称为折光系统。

另外一种全景成像系统包括反射镜和透镜。这种光学系统称为反折射光学系统。反折射光学系统一般采用一个或两个凹反射镜和/或凸反射镜以及一个或两个中继透镜，所述中继透镜通常置于所述凹反射镜和/或凸反射镜之后。已研发出反折射系统获得超广角的视场。

James S.Conant提出一种具有一个反射镜和一个中继透镜的简易反折射系统(美国专利2,299,682)。该美国专利中描述了产生弯曲的虚像的凸抛物面反射镜或半球状反射镜，所述弯曲的虚像由相机的透镜投影至照相胶片或底片上。在此种情形下，标准相机的透镜充当中继透镜。该Conant光学系统，与大多数广角光学系统一样，主要缺点是图像质量差，这是由于未校正像散和场曲之类的场像差(field aberrations)。

减少上述有害影响将产生更清晰的图像。进一步地，需要更高的光圈级数值(F-stop number)并必须增加曝光时间以保持静态图片的图像质量以及提高视频录制的帧速率。

使用凸抛物面反射镜以及远心中继物镜和标准相机透镜的全景照相机的发明者Shree K.Nayar对Conant光学系统作出了有效的改进，所述全景照相机能够使来自单个视角点的半球景象渲染到二维形式上(美国专利5,760,826)。

所述Nayar光学系统的主要缺点在于场曲未校正，降低了图像的质量，尤其是在具有低光圈级数(F-stop)的紧凑光学系统中。为了得到令人满意的清晰图像，所述Nayar光学系统的光圈级数根据传感器形式应当设置为大于或等于8，并因此要求较高的目标照度和较长的曝光时间。较高的图像照度需要使用笨重的整体包装，如抛物面反射镜的直径应当近似于3-4英寸，光学系统的长度大约为12英寸。

小Edward Driscoll等人描述了另一种在采用抛物面镜的反折射全景光学系统中改善图像质量的尝试(美国专利6,480,229B1)。在Driscoll光学系统中，引入了两个平视场校正透镜(field-flattening correction lenses)。第一校正透镜放置在所述抛物面镜和相机透镜之间，第二校正透镜放置在所述相机透镜和传感器平面之间。所述第一校正透镜校正像散，所述第二校正透镜校正场曲。在Driscoll的专利中没有详细叙述所述两个校正透镜，没有提供有关这种校正的水平或能获得的光学图像质量的数据。此外，如果所述平视场透镜未位于所述像平面内，将很难分离像散效应和场曲效应。所述Driscoll光学系统是第二种Nayar光学系统的衍生，其中所述Driscoll光学系统中的第一和第二校正透镜替代了Nayar中继透镜。两种光学系统都提高了原始Conant光学系统的图像质量，所述Conant光学系统未提供平视场校正。

Javaan Singh Chahl等(美国专利5,790,181)、Alfred M.Bruckstein等(美国专利5,920,376)以及Yasushi Yagi等(美国专利6,130,783)提出了单反射镜和双反射镜全景光学系统，但没有光学图像形成和光学图像质量的具体描述。基本上，Chahl、Bruckstein和Yagi叙述了主光线和将主光线映射至传感器平面。在这三篇专利中，未解决光线束以及相关的光学像差，例如未校正的场曲、像散以及横向颜色位移(color displacement)。对于上述三篇专利中的每一篇所描述的光学系统，必需要较高的光圈级数来锐化图像，产生低图像照度水平和低对比度。

为了进一步校正全景光学系统中的场曲，Gottfried R.Rosendahl等(美国专利4,395,093)提出凸双曲面反射镜与包含21个透镜元件的定制物镜结合使用。