[发明专利]紧凑型全景摄像机：光学系统，装置，图像形成方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月15日提交的序列号为62/050,725的美国临时专利申请的优先权和相关权益，该临时专利申请通过引用以其整体合并与此。

背景技术

存在许多使用各种折射和反射光学组件的全景成像摄像机和光学系统。广角持续视觉成像的空间可以大致分为单摄像机系统(例如，鱼眼和折反射系统)和多摄像机系统。单摄像机系统通过以场压缩(field compression)功能的形式在视场中引入畸变，能够看到比通常的视场更广的视场。一种方法使用宽视场仅折射光学器件(例如，鱼眼镜头)来获取相机周围的宽幅视场。仅折射光学器件在涉及到在视场中所有点处维持统一(或最小)的质量时面临独特的挑战。这是因为仅通过折射提供的场压缩方法是非常有限的。同时，鱼眼镜头的场压缩功能在计算上是复杂的，并且不完全可逆。单独由镜头进行场压缩在重量方面也产生巨大影响。与折反射系统相比，仅仅是对高折射致密弯月形镜头的需求就可能将系统的重量提高一个数量级。

折反射光学系统可以包括一个或多个凹面镜和/或凸面镜以及一个或多个折射透镜元件(通常放置在这些反射镜后面)。这些光学系统已经被开发以实现超广角视场，并且利用这个方法可以实现许多场压缩功能。

发明内容

一个实施例涉及用于感测360度视场的具有旋转对称轴的紧凑型全景摄像机。紧凑型全景摄像机包括凸形反射体、硬件光圈和解压缩(decompression)透镜。凸形反射体具有轴对称非球面表面。凸形反射体被配置为提供360度全景场景的具有特定图像压缩的、弯曲且压缩的虚像。硬件光圈被配置为滤除除了从凸形反射体直接反射的那些光线以外的光线，从而提供期望的紧凑型物方空间视点以用于对感测图像的预期映射。硬件光圈被放置在凸形反射体的几何焦点处或附近，与凸形反射体相距一定距离。解压缩透镜被放置以接收由硬件光圈过滤的、弯曲且压缩的虚像。解压缩透镜被配置为将弯曲且压缩的虚像解压缩成具有高光学分辨率和抛物面图像解压缩的实像，并且将实像投影到图像传感器上。图像传感器被放置以接收由解压缩透镜投影的360度全景场景的实像。

另一实施例涉及一种用于具有图像传感器的紧凑型全景相机的系统。该系统包括凸形反射体和解压缩透镜。凸形反射体具有轴对称非球面表面，该凸形反射体提供全景场景的具有非抛物面图像压缩的、弯曲且压缩的虚像。解压缩透镜被放置以接收弯曲且压缩的虚像。解压缩透镜被配置为将弯曲且压缩的虚像解压缩成具有高光学分辨率和抛物面图像解压缩的实像，并且将实像投影到图像传感器上。

另一实施例涉及一种用于压缩和解压缩具有高分辨率的图像的方法。该方法包括：通过折反射光学元件接收来自场景的光线束；通过折反射光学元件将光线束压缩成具有非抛物面压缩的、弯曲且压缩的虚像；通过折反射光学元件将弯曲且压缩的虚像反射到硬件光圈上；通过硬件光圈滤除除了由折反射光学元件反射的那些光线以外的光线；通过解压缩透镜从硬件光圈接收弯曲且压缩的虚像；通过解压缩透镜将弯曲且压缩的虚像解压缩成实像；以及通过解压缩透镜将实像投影到图像传感器上。

另一实施例涉及一种用于与折反射光学系统中的非抛物面反射镜和图像传感器一起使用的解压缩透镜。解压缩透镜包括至少一个透镜元件，被放置以从非抛物面反射镜接收非抛物面压缩格式的、弯曲且压缩的虚像。至少一个透镜元件被配置为将弯曲且压缩的虚像解压缩成具有高光学分辨率和抛物面类型解压缩的实像，并且将实像投影到图像传感器上。

当结合附图查看下面的示例实施例的详细描述时，本公开的实施例的优点和特征将变得更加明显。

附图说明

图1是根据示例实施例的紧凑型全景摄像机的光学系统布局。

图2A和2B示出了根据示例实施例的图像压缩和解压缩的方法的示意图和流程图。

图3是一种基于折反射光学器件的理想凸抛物面反射镜。

图4描绘了针对图3的布置的场曲图示和畸变图示。

图5是具有理想折反射光学器件的理想透镜的凸双曲面反射镜。

图6描绘了针对图5的布置的场曲图示和畸变图示。

图7描绘了根据示例实施例的针对图1的布置的场曲图示和畸变图示。

图8是根据示例实施例的针对图1的布置的十二个垂直视点的多色衍射MTF的图示。

图9是根据示例实施例的针对图1的布置的水平点的多色衍射MTF的图示。

图10是根据示例实施例的针对图1的布置的衍射能量圈(ensquared energy)的图示。