[发明专利]全景光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及全景光学系统，并且特别地，它涉及包括反射镜和多个透射元件的反折射全景光学系统。

背景技术

这些年来已描述了许多旋转对称透镜，并且它们中的大部分都能够关于旋转的轴(也称为光轴)对360°的方位场成像。区别全景透镜之处在于它们的视场不是从光轴处0°到它们的最大场被测量，而是它们的视场相对于垂直于光轴的平面被测量。该平面通常被称为水平面。例如，对于全景透镜，视场可被称为+5°/-20°，这意味着图片包含直至水平线以上5度且水平线以下20度。

已提出了诸如使用多个照相机或扫描单个照相机获得全景视图的手段。然而，利用多个照相机的主要问题在于将图像缝接(stitch)在一起以形成全景。仔细地扫描单个照相机可以缓和该困难，但是精确地移动照相机引入了额外的一组困难。

光学系统可以被划分成三个类别：折射、反射和反折射。这些类别中的第一个，折射，含有仅具有透射元件的所有光学系统。类似地，反射光学系统仅具有反射元件。反折射光学系统具有透射元件和反射元件二者，并且可以被划分成两个子类别。这些子类别中的一个包含其内具有既反射光又透射光的单个元件的所有光学系统，而另一个子类别被限制为反射或透射、但不是二者均进行的元件。后一个子类别包含这样的光学系统：该光学系统具有在其边缘周围或通过孔透射光(只要该光不被反射镜基底折射)的反射镜。

已知诸如鱼眼透镜的折射广角透镜来实现从光轴测量的大于半球的视场，其中半场角直至140°。这样的透镜经常通过它们的全场角来描述，因此具有140°的半场角的透镜将被称为280°鱼眼。作为全景透镜，它将被描述为+90°/-50°透镜。然而，鱼眼透镜通常在视场的边缘处具有显著的图像压缩(畸变)，从而导致水平面附近的场部分中的降低的分辨率。Zimmerman的美国专利No.5,185,667描述了鱼眼透镜作为全景透镜的使用。

反射光学系统也已被提出作为全景透镜。例如，Bruckstein等人的美国专利No.5,920,376描述了一种纯反射、仅由一个或多个反射镜和针孔照相机布置组成的照相机。这种类型的系统的显著问题在于针孔不允许太多光到达图像。通常需要针孔将像差减小到可接受的水平。表达该问题的另一种方式是反射全景透镜通常被它们的像差限制到大的F数或小的数值孔径。

Parodi的美国专利No.1,616,279和Buchele的美国专利No.2,638,033描述了反折射全景光学系统。尽管这样的设计存在某些优点，但是首要的困难在于制造元件的困难和复杂性。

已知具有仅反射或透射元件的反折射全景光学系统。多个反折射系统可以能够实现高性能，但是遭受对反射镜进行对准并将它们保持对准的困难。复杂的反射镜对准的一个示例在Davis等人的美国专利No.5,627,675中公开。尽管示出了在F/1.5处小于10微米的模糊尺寸，但是光学布置极其复杂。

单个反射镜反折射全景光学系统已在多篇专利中被描述。Ayres的美国专利No.2,244,235提出了一种球面反射镜，其具有校正像差的可能性。Conant的美国专利No.2,299,682公开了抛物面反射镜和修改圆锥曲率的其它，例如圆锥和球面形式。Benford的美国专利No.2,371,495脱离了简单的二次曲面形式，并规定了一种成形为产生对角度均匀照明的反射镜。

如以上所引用的Ayres 2,244,235专利或Young的美国专利No.2,430,595中提到的像差是设计全景光学系统中的重要因素。它们可以被分类为色像差或单色像差。色像差引起点图像(images of points)根据光的波长展开。这样的像差可以通过仅使用反射镜消除或可通过使用消色差透镜减小。

单色像差典型地被划分成初级或更高级像差。初级像差包含球面像差，其将模糊引入到跨越视场恒定的图像。慧差和像散使幅度随场角分别线性地和二次地变化的图像模糊。场曲使最佳图像不位于平面上，使得形成在胶片的平坦部分或平坦阵列检测器上的图像模糊。畸变不模糊图像，但是引起随场角的立方变化的放大率，使得方形的图像具有弯曲的边。

这样的像差不利地影响图像的质量。由于场角如此大，因此在全景透镜中最显著的像差是像散和畸变。由于它不模糊图像，因此直至大约百分之十或百分之二十的畸变通常是可容忍的。这留下了像散作为全景透镜中最重要的像差。