全景雙焦物鏡的製作方法

2023-04-25 03:44:06 3

全景雙焦物鏡的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於獲得360°全景視野的給定區域的擴大的光學器件(40)，該光學器件適用於一個用於獲得360°全景視野的光學系統(20)，該光學系統包括一個具有一個外部凸狀球面(1)的後向反射器(3)和一個用於對該視野進行數字處理的圖像傳感器(18)；該光學設備(40)包括一個放大型光學元件(6)，該光學元件對應於該外部凸狀球面(1)可固定至該後向反射器(3)，以及偏轉器裝置(19)，能夠捕捉來自該360°全景視野的一個給定區域的光線並且能夠將這些光線重新向該光學元件(6)透射；該光學元件(6)將這些光線透射至該圖像傳感器(18)。本發明還涉及一種光學系統(20)，該光學系統包括所述光學器件(40)、一個用於拍攝多個圖像的裝置以及一個用於對包括所述光學系統(20)的多個圖像進行投影的裝置。
【專利說明】全景雙焦物鏡
[0001]本發明涉及光學器件領域，並具體地涉及用於獲得360°全景視場的給定區域的擴大的光學器件。
[0002]更詳細地，本發明的光學器件適用於用於獲得360°全景圖像的光學系統並且可以在不幹擾所述光學系統的運行的情況下由使用者自由地操作。
[0003]目前，可見光相機能夠捕捉相對較窄且有限的視場，例如像圖1中所示的視場VI。
[0004]為了拍攝視場Vl周圍的空間，操作者必須通過手動的方式或藉助機動系統將相機物理地指向他/她想要採集圖像的區域。
[0005]在單次圖像採集過程中，可以只看見並(在認為合適的情況下)「捕捉」視野的一小部分或將其記錄在支架(例如數字傳感器)上。
[0006]只有通過拍攝若干圖像並在對所述圖像進行修改和細化之後才能獲得給定景物的全景圖像，必須將這些圖像合併在一起以獲得所請求的全景視圖。
[0007]然而，當必須在給定的時刻具有全景視野時，此運行模式特別地累贅，因為最終的全景圖像是由在不同時刻所拍攝的圖像的疊加所產生的。如果全景景物是動態的(具有移動的人或物體)，事實上，最終的全景圖像在給定時刻並不與現實所對應。
[0008]參照圖1至圖4，Az是沿著環繞方位軸Y的視平面A的透鏡視角，同時El是沿著與環繞仰角軸E的視平面A正交的方向的角度。
[0009]關於這些測量，Az可以具有從0°至360°的值，同時El可以具有從(在視平面A)0°上至(在頂點Z)+90°或下至(在最底點N)-90°的值。
[0010]當然，Az和El還可以具有不同的值。例如當圖像傳感器是矩形的或當透鏡處於獨特配置(所謂的變形配置)時會發生這種情況，根據這種配置，沿著這兩個軸的放大(擴大)彼此不同。
[0011]具有大視場的典型透鏡(廣角透鏡)具有估量最多為幾十度的角度Az和E1。其他具體的透鏡(稱為「魚眼透鏡」)具有Az = 360°和El = +90°的視角。
[0012]近年來，已經產生了許多能夠具有Az = 360°和El>90°的角度的透鏡的想法，如全景透鏡，使用特殊形狀的反射鏡製成並且能夠攔截來自視平面以下的區域的光線。
[0013]這些技術方案提供了顯著的圖像擴展，這種圖像可以例如從典型的透鏡(所謂的「魚眼透鏡」)來獲得。
[0014]在某些先前的專利文獻中可以找到某些示例，如布魯格曼(Brueggemann)(專利號 US3203328,1965)、皮恩佐(Pinzone)等人(專利號 US3846809,1974)、金(King)(專利號 US4326775，1980)、羅森達爾(Rosendahl)和戴克斯(Dykes)(專利號 US4395093，1983)、考克斯(Cox)(專利號US4484801,1984)、克賴斯切爾(Kreischer)(專利號US4561733，1985)、納亞爾(Nayar)(專利號 US5760826，1998)、戴維斯(Davis)等人(專利號US5841589，1998)，在這些文獻中使用的是平面反射鏡而非曲面反射鏡。
[0015]代表黑田(Kuroda)等人的現有技術專利文獻(專利號US5854713，1998)披露了一種具有兩個非球面反射鏡的系統。
[0016]現有技術文獻格羅格斯(Greguss)(專利號US4566763，1986)以及霍爾(Hall)和埃特沙彌(Ehtashami)(專利號US4670648，1987)涉及一種反射器而非反射鏡。
[0017]現有技術文獻鮑威爾(Powell)(專利號US5473474，1995)和鮑威爾(專利號US5631778，1997)涉及一種具有多次反射的後向反射器，從而減小主光線的角度並有利於光學像差的校正。
[0018]某些作者還開發了具有擴大能力的(金，專利號US4429957，1981)或在同一系統內具有不同解析度的(庫克(Cook)，專利號US5710661，1998)全景物鏡。
[0019]最近，隨著數字傳感器和計算裝置的出現，開發了視覺光學系統連同計算算法，從而為使用者提供更清晰的全景圖像。
[0020]在普爾斯特拉(Poelstra)(專利號US5563650，1996)中披露了 「魚眼」透鏡的應用。
[0021]代表沃勒斯坦(Wallerstein)等人的另一個專利文獻(專利號US6373642，2002)涉及一種能夠獲得高達El =-60°的視場的具有反射面的球面反射器。
[0022]在文獻中所描述的並在上文中所引用的透鏡的光學系統具有一種一般配置，比如圖2中所示的配置，示出了沿著垂直於視平面的平面所獲得的截面視圖。
[0023]如上述專利文獻中所描述的，在圖2中總體上作為「黑箱」示出的光學系統取決於應用的類型具有不同的配置。
[0024]如圖3A所示，圖2中所示的一般系統在環形狀的焦平面上產生一個圖像。
[0025]該環的外周長的物理尺寸由光學系統的焦距所確定，並且可以基於應用對其進行選擇，同時所述周長的相對尺寸(即較大半徑與較小半徑之比)取決於對角度El的最大值(絕對值)的選擇。
[0026]具體地，對應於該環的內環的區域的尺寸構成了該裝置的主要缺點，因為它們對應於傳感器的未開發的部分。
[0027]某些作者已經試圖通過捕捉頂點Z附近的盲區，還利用環的中央部分來優化採集。
[0028]例如，專利文獻貝克斯特德(Beckstead)和諾德霍瑟(Nordhauser)(專利號US6028719，2000)披露了一種用於正視圖(90° >E1>45° )的透鏡系統和多個用於側視圖(El〈45° )的反射鏡，同時專利文獻德裡斯科爾(Driscoll)等人(專利號US6341044，2002)披露了用於側視圖(El〈90° )的後向反射器以及一種用於觀察頂點Z附近的區域的獨立光學系統。
[0029]其他的現代技術方案使用反射器來捕捉來自環繞視平面的仰角(甚至高達在El-= -60°和El+= +45°之間變化的值)的光線，同時提供了進一步的透鏡以用於標註焦平面上的視場的尺寸並校正光學像差。
[0030]然而，如上述現有技術專利文獻的附圖中所示，從外側放置圖像傳感器和相關電子設備(以及因此對應的電纜)，暴露在視野中。
[0031]對於視頻監視而言，這種特徵是非常負面的，因為不管從美學觀點來看還是從明顯的脆弱性觀點來看，相機都特別笨重。
[0032]事實上，想要使相機失效的攻擊者能夠輕易地對其進行定位，並且他/她能夠輕易地將電纜切斷。
[0033]US2009/073254中披露了另一種相似的技術方案，披露了一種用於採集全向圖像的系統，包括一個非球面凸面反射鏡(例如雙曲面反射鏡)和一個已知的穿過該雙曲面反射鏡的中央開口的已知透鏡系統。放大是由適當的設備所進行的，對應於該已知透鏡系統來安置該設備。
[0034]所述專利文獻披露了非球面凸面反射鏡的使用，而不是魚眼型透鏡或環形全景型透鏡(PAL)，因為所述透鏡非常昂貴、難以製造並且不能利用整個採集表面。
[0035]因此，建議使用所述凸狀非球面反射鏡，其中，可以完成一個中央開口，從而將上述設備應用於其中。
[0036]然而，所述凸狀非球面反射鏡的使用將市場限制在視平面以上的空間。
[0037]另外，放大型設備需要用某些杆支撐，以便將其固定至該非球面反射鏡。這些杆還具有給視場構成妨礙的缺點。
[0038]因此，本發明的一個目的是排除現有技術的上述缺點，並且具體地，提供一種用於獲得360°全景視場的給定區域的擴大的光學器件，該光學器件可以應用於能夠產生方位角360°的全景視場的光學系統，從而利用傳感器器件的所有部分。
[0039]此外，本發明的一個目的是提供一種用於獲得360°全景視場的給定區域的擴大的光學器件，可以用可移除的方式將該光學器件應用到能夠獲得方位角為360°的全景視場的光學系統。
[0040]此外，本發明的一個目的是提供一種用於獲得360°全景視場的給定區域的擴大的光學器件，該光學器件容易製造且廉價。
[0041]本發明的另一目的是提供一種用於在沒有任何阻礙的情況下獲得方位角為360°的全景視場並且在視平面以下的光學系統。這些和其他目的是通過根據所附權利要求1所述的(為了簡潔而提到的)用於獲得360°全景視場的給定區域的放大的光學器件而實現的；在所附權利要求書中描述了進一步的詳細特點。
[0042]有利的是，本發明涉及用於獲得360°全景視場(即圖3中所示的視場)的給定區域的擴大的光學器件的實現，其中，Az = 360°並且角度El在以前所描述的特定示例中具有對應於El- = -60°和El+ = +45°的值。
[0043]所述圖像與具有360°的方位角的全景圖像是兼容的，可以通過合適的光學系統獲得該全景圖像，從而採集一個方位角360°並且仰角270°的全視場。
[0044]該視野是瞬時的，並且因此可以正確地記錄具有移動的物體和人的動態全景景物。
[0045]本發明的進一步目的和優點將從下列的說明並從附圖中變得清楚，該說明參考用於獲得360°全景視場的給定區域的放大的光學器件一個優選實施例，該光學器件是本發明的目的，在附圖中:
[0046]-圖1示出了概述了根據現有技術的光學系統可檢測的視場的三維圖；
[0047]-圖2示出了概述了根據現有技術的光學系統可檢測的視場的二維圖；
[0048]-圖3示出了概述了用於採集360°全景圖像的光學系統可檢測的視場的三維圖；
[0049]-圖3A示出了概述了圖3的光學系統可檢測的視場的二維圖；
[0050]-圖4示出了圖3的光學系統的截面視圖，本發明的光學器件適用於該截面視圖；
[0051]-圖4A示出了概述了圖4的光學系統可檢測的視場的二維圖。[0052]下面將通過舉例來披露一種具體光學系統，本發明的光學器件可以應用至該光學系統。這意味著本發明的光學器件可以應用於另一光學系統，然而該光學系統能夠採集方位角為360°的全景圖像。
[0053]附圖4示出了:
[0054]-來自對應於視平面而定位的物體的用實線示出的光束14，其中El= 0°，
[0055]-來自安置於視野El+的上邊緣的物體的用虛線示出的光束13，
[0056]-用點劃線不出的光束15,來自安置於視平面El-(在視平面和最底點N之間的一個角度)下方的物體，
[0057]-用點線示出的光束16，和用雙倍點劃線示出的光束17，所述光束來自安置在E+和El-(根據本發明的實施例，+45°和-60°之間)的視場中的兩個對應的物體。
[0058]光學系統20包括一個光學元件或後向反射器3、一個第一光學單元30、一個用於採集圖像的傳感器18、和一個透鏡9。
[0059]第一光學單元30包括一個第一透鏡組4和一個半反射鏡面5，它們一起組裝在支架8中，該支架(優選地，用金屬製成)用於將光學單元30固定至後向反射器3，從而使得第一透鏡組4被安置在離後向反射器3 —個給定的距離。
[0060]具體地，支架8被固定至後向反射器3，即金屬被粘結至玻璃。
[0061]在光學單元30的另一實施例中，通過粘結透鏡組4而將第一光學單元30直接固定至後向反射器3。
[0062]在光學單元30的一個進一步的實施例中，反射鏡面5由直接沉積在透鏡組4的外表面上的半反射塗層構成。
[0063]無論如何，半反射鏡面5能夠反射一部分入射光並能夠透射剩餘部分。
[0064]具體地，例如，半反射鏡面5傳遞50%的光並反射50%的光。
[0065]後向反射器3能夠收集來自每個方位角(從O。至360° )的光束，並且能夠將所述光束向第一光學單兀30重新引導。
[0066]後向反射器3基本上是一個具有一個第一外部凸狀球面I和一個第二內部凹狀球面2的透鏡，並且，相對於該後向反射器3，透鏡9被安置在一個與該外部凸狀球面I相對的位置。
[0067]內部凹狀表面2具有一個第一區域21，通過沉積一層適用於該目的塗層而使該第一區域成為反射性的，以及一個第二區域22，圓形且位於中央，光束或光線13、14、15、16和17在被反射之後(光束或光線13、14和15)或從半反射鏡面5透射(光束或光線16和17)之後穿過該第二區域。
[0068]與後向反射器3的內部凹狀表面2相對應地,安置了一個已知的透鏡9,以用於收集從第二區域22所輸出的光束，根據已知技術和參數(如需要的視場、空間解析度或其他)，針對特定應用特殊地設計該透鏡9。
[0069]透鏡9具有一個光闌12，通過一個常用的金屬支架10將該光闌剛性地固定至透鏡9。
[0070]當然，透鏡9的開口光圈或光闌12可以被安置在支架10內的任何地方。
[0071]進而，通過一個凸緣11將金屬支架10固定至後向反射器3。
[0072]透鏡組4允許通過透鏡9來減小光束或光線的入射角。[0073]包括在El+和El-之間的光線或光束13、14和15影響後向反射器3的外部凸狀表面I，並且被朝後向反射器3的內部凹狀表面2引導。
[0074]光被從表面2反射並被向回引導朝向表面I的中央表面。
[0075]光線或光束13、14和15從而進入第一透鏡組4並且被從半反射鏡面5反射並被重新向透鏡9引導。
[0076]在此過程中，光線13、14和15再次穿過透鏡組4和後向反射器3。
[0077]如圖3A所示，光學系統20在焦平面18上以環形或圓形皇冠C的形狀創建全景景物的圖像。
[0078]在本實施例中，如圖4所示，El+等於45°，並且El-等於-60°:因此，總的視覺仰角視野為105°。
[0079]在到達透鏡9之前，光線穿過透鏡9的光圈開口或光闌12，從而該光圈開口或光闌能夠控制必須進入透鏡9的光量。
[0080]透鏡9進而校正光學像差並且在圖像傳感器或焦平面18上創建校正後的圖像。
[0081]圖4A示出了被投影在圖4中所示的示例的焦平面18上的圖像。
[0082]具體地，被光束13所透射的物體的圖像被聚焦在圓形皇冠C的外邊緣上的點13』處。
[0083]置於視平面O上並且然後沿著光束14透射至光學系統的物體的圖像，或被光束15所透射的物體的圖像分別形成在焦平面上的點14』和15』處。通過金屬支架8將第一透鏡組4和半反射鏡面5固定至後向反射器3。
[0084]根據本發明，有利的是，此光學系統20可以應用於光學器件40。
[0085]參照附圖4，該光學器件40包括一個光學元件6，該光學元件被安裝在支架7上，該支架優選地由金屬製成並且通過適當的連接裝置(例如螺紋裝置)固定至支架8。
[0086]光學元件6具有偏轉裝置19，該偏轉裝置可旋轉地固定至一個配備有三維旋轉裝置(未示出)的支架20，例如進而固定至支架7的球形接頭。
[0087]所述偏轉裝置19可以根據兩個箭頭旋轉a (環繞仰角軸)和旋轉b (環繞方位軸)的方向而旋轉，並且能夠捕捉E+和El-之間(根據實施例，+45°和-60°之間)的視場。現在有許多旋轉系統是可用的，並且它們可以用於上述目的，因此，其中之一的詳細說明並不是本發明的目的。
[0088]具體地，標出光學元件6的焦距的尺寸，從而形成視場E1』的圖像，之後光線16和17穿過半反射鏡面5、第一光學單元30和透鏡9。
[0089]由第二光學器件40在焦平面18上所產生的圖像由圓B所構成，對應於光學系統20所創建的環C的孔準確地放置該圓。
[0090]對光學系統20與光學器件40的組合焦距的尺寸進行標註，從而形成光線16和17之間的視場E1』的放大的圖像。
[0091]通過在由箭頭旋轉a所限定的平面上旋轉偏轉裝置19，可以捕捉E+和El-之間(根據本發明的實施例，105° )的初始全景視場內所包括的所有視場，並且可以在焦平面18上所放置的圖像傳感器上直接看見所述視場。
[0092]偏轉裝置19的旋轉和支架20繞光學系統的對稱軸的(即在箭頭旋轉b所限定的平面上)可能的旋轉允許系統以方位角移動並且然後捕捉整個初始全景視場的放大後的圖像。
[0093]全景圖像的圓形皇冠C的中央區域不受圖像傳感器的影響的事實有利地允許發現一個自由區域，在該自由區域中，可以在不幹擾全景視覺的影響下對放大進行投影。
[0094]換言之，操作者可以通過使用單個圖像傳感器來繼續觀看整個初始全景視場和相關的放大後的區域兩者。
[0095]使用不同的且可互換的光學元件6，取決於實際應用，可能會有不同的放大值。具體地，例如，可以使用3x、6x等光學擴大。
[0096]在根據本發明的器件40的優選實施例中，該偏轉裝置19包括一個反射鏡面。
[0097]根據器件40的另一實施例，偏轉裝置19包括任何其他光學系統(例如稜鏡)，該光學系統能夠捕捉光線並將其返回至一定方向。
[0098]具體地，圖4中所示的實施例指的是一個能夠捕捉El+和El-之間的初始全景視場內的光線16和17並將其朝向放大的透鏡6返回的光學系統。
[0099]更概括地，根據本發明，可以用任何其他能夠捕捉光線並以一定的方向將其返回的光學系統(如光學稜鏡(未不出))來替換反射鏡面21或5之一(或兩者)。
[0100]同樣有利的是，光學系統20既可以用於投影也可以用於拍攝圖像。
[0101]當投影圖像時，與焦平面18不同，可以使用一個幻燈片或LCD屏或任何有待投影的圖像；光離開後向反射器並被投影到投影面上(一個半球屏幕或房間的建築圖的牆壁和天花板)。
[0102]出於說明性而非限制性目的，已經根據本發明的優選實施例對本發明進行了描述，但是應當理解的是，在不脫離如所附權利要求書所限定的相關保護範圍的情況下，本領域普通技術人員可以做出改變和/或修改。
【權利要求】
1.用於以單次採集來獲得360°全景視野的特定區域的擴大的光學器件(40)，適用於一種用於獲得360°全景視野的光學系統(20)，所述光學系統(20)包括一個具有一個外部凸狀球面(I)的反射折射透鏡(3)和一個用於對所述視野進行數字處理的圖像傳感器(18)，所述光學器件(40)包括一個擴大型光學元件(6)，對應於所述外部凸狀球面可固定至所述反射折射透鏡(3)，以及偏轉裝置(19)，適用於捕捉來自所述360°全景視野的所述特定區域的多束光線並適用於將所述光線回發至所述光學元件(6)， 所述光學元件(6)將所述光線(16，17)投射至所述圖像傳感器(18)。
2.根據權利要求1所述的光學器件(40)，其特徵在於，所述偏轉裝置(19)可旋轉地固定至一個配備有三維旋轉裝置的支架(20)，只要所述偏轉裝置(19)可以被定向為朝向所述360°全景視野的任何區域，在方位角和類似地仰角兩者上。
3.根據權利要求1或2所述的光學器件(40)，其特徵在於，所述光學系統(20)將一個環形圖像(C)傳輸至所述圖像傳感器(18)，所述環形圖像具有一個更小的圓(B)， 並且在於，所述光學器件(40)將所述更小的圓(B)內所包括的一個圖像傳輸至所述圖像傳感器(18)。
4.根據權利要求1-3之一所述的光學器件(40)，其特徵在於，所述偏轉裝置(19)包括一個反射面。
5.根據權利要求1-3之一所述的光學器件(40)，其特徵在於，所述偏轉裝置(19)包括一個稜鏡。
6.用於以單次採集來獲得360°全景圖像的光學系統(20)，包括一個反射折射透鏡(3)、一個攝影透鏡(9)和一個用於對所述圖像進行數字處理的圖像傳感器(18)； 所述反射折射透鏡(3)包括一個球面透鏡，所述球面透鏡具有一個第一外部凸狀球面(I)和一個第二凹狀內部球面(2)，所述第一和第二球面(1，2)具有一個對應的中心，所述中心限定了一個第一光軸； 攝影透鏡(9)具有一個與所述第一光軸重合的第二光軸，並且包括一個與所述圖像傳感器(18)相對的光圈(12)； 所述光學系統(20)的特徵在於，所述攝影透鏡(9)對應於所述第二凹狀內部球面(2)被固定至所述反射折射透鏡(3)，被定向為所述光圈(12)面對所述反射折射透鏡(3)， 並且在於，包括一個根據權利要求1-5之一所述的光學器件(40)。
7.根據權利要求6所述的光學系統(20)，其特徵在於，所述反射折射透鏡(3)的所述第二凹狀內部球面(2)具有一個完全透明的第一中央區域(22)和一個第二區域(21)，所述第二區域環繞所述第一區域(22)並具有一個反射表面， 並且在於，具有一個第一光學單元(30)，所述第一光學單元包括一個半反射面(5)，並具有一個第三光軸，所述第三光軸與所述第一光軸和第二光軸重合。
8.根據權利要求6或7所述的光學系統(20),其特徵在於,所述第一光學單兀(30)包括一個第一透鏡組(4)，適用於減小所述攝影透鏡(9)上的入射角，所述第一透鏡組被插在所述反射折射透鏡(3)的所述第一外部凸狀球面(I)與所述半反射面(5)之間。
9.用於記錄三維圖像的裝置，包括一個根據權利要求6-8之一所述的光學系統(20)。
10.用於投影三維圖像進行的裝置，包括一個根據權利要求6-8之一所述的光學系統(20)。 Barzano&Zanardo Roma S.p.A.
【文檔編號】G02B13/06GK104024910SQ201280065705
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年12月17日 優先權日:2012年1月3日
【發明者】克勞迪奧·佩納徹勒 申請人:潘-維森有限責任公司