本發(fā)明涉及全景光學裝置，更具體地涉及用于全景光學裝置的光組件。

背景技術：

在全景照相機中提供高質量的光學器件是具有挑戰(zhàn)性的。目前，業(yè)界已經采取不同的方法來解決這個問題。其中，一種方法是移動透鏡并隨著透鏡的移動拍攝一組圖像，隨著時間的推移該組圖像覆蓋一個視場，來自移動透鏡的圖像被合并以形成全景場景；另一種方法是形成多個不同照相機的透鏡的陣列，并將通過該透鏡陣列所拍攝的圖像合并成單一的圖像；還有一種方法是利用超廣角鏡頭（例如，魚眼透鏡）拍攝比正常視場寬的場景；還有一種方法是利用全景光學裝置單次（利用單個鏡頭的離散時間點）產生360度水平視場。后一種方法有時被稱作“單次”全景裝置，其利用單個鏡頭在一個時間點拍攝全景場景。根據使用情況的不同，這些方法中的每一種都具有優(yōu)缺點。

在使用全景光學元件的單次解決方案中，根據情況已經采取了多種方法。圖1（現有技術）中示出的一種方法利用位于桿110的端部的半球型反射鏡120。所述桿110有時與照相機鏡頭的濾鏡螺紋連接，隨著半球型反射鏡120接近桿110的中心，其逐漸變細到一個點，半球型反射鏡120在該中心處與桿110連接。通過這種技術所拍攝的圖像會失真，但可以利用數字信號處理（DSP）技術進行軟件修正。

圖2（現有技術）中示出不同的單次方法，其利用連接至透明的間隔圈210的拋物面反射鏡220。隨著拋物面反射鏡220接近透鏡，其逐漸變細到一個點，DSP軟件/固件可用于校正從拋物面反射鏡220反射出去的光所造成的失真。

常見的全景單次解決方案（諸如圖1和圖2中所示的那些）不能夠產生高保真度（HD）圖像，并且被高度地限制在它們的垂直視場內，不能夠產生高保真度圖像（指的是1080線的高清視頻（HDV）標準）導致一部分來自表面膨脹的反射鏡的光學擴散器。此外，常見的全景單次解決方案具有360度的水平視場和受限的垂直視場，所述垂直視場和保真度基于反射來自單個的半球型反射鏡120的光或者在被透鏡/傳感器拍攝之前將光從單一的拋物面反射鏡220反射出去的光學器件而受到限制。

技術實現要素：

本發(fā)明的一個方面描述了一種全景光學裝置，其包括二次曲面反射器，反射鏡，以及一個或多個光學元件的組合。所述二次曲面反射器具有圓錐形狀，其從寬底部到頂端逐漸變細，所述頂端包括孔徑。所述反射鏡定位在該裝置內，位于與圓錐形狀的圓形橫截面近似平行的平面內；該反射鏡將通過二次曲面反射器反射的環(huán)境光反射到孔徑內或者將從孔徑發(fā)射的光反射到二次曲面反射器上。所述一個或多個光學元件的組合被至少部分的定位在二次曲面反射器的體積區(qū)域內，該一個或多個光學元件對穿過孔徑的光進行聚焦。

本發(fā)明的另一個方面描述了一種包括二次曲面反射器和反射鏡的裝置。該二次曲面反射器具有圓錐形狀，其從寬基部到頂端逐漸變細，所述頂端包括孔徑。該反射鏡定位在該裝置內，位于與圓錐形狀的圓形橫截面近似平行的平面內；該反射鏡將通過二次曲面反射器反射的環(huán)境光反射到孔徑內或者將從孔徑發(fā)射的光反射到二次曲面反射器上。

本發(fā)明的另一個方面描述了一種包括一個或多個光學元件的組合，圖像傳感器的裝置。該一個或多個光學元件至少部分定位在二次曲面反射器的體積區(qū)域內；該一個或多個光學元件對穿過孔徑的光進行聚焦。該一個或多個光學元件的組合包括至少一個雙合透鏡和視場致平器；其中，該至少一個雙合透鏡包括一個與一個凹面元件連接在一起的凸面元件，該凸面和凹面部分彼此面對。該至少一個雙合透鏡產生匯聚光束，并校正否則會造成不同顏色聚焦在不同平面和位置處的色差。該視場致平器校正二次曲面反射器所產生的場曲率，以允許光學圖像基本上位于平坦的焦平面上。該圖像傳感器將光學圖像轉變成電信號，所述光學圖像是由該一個或多個光學元件的組合聚焦，由該圖像傳感器接收的光束產生的。

附圖說明

圖1所示為現有技術中的一種單次全景光學裝置，其具有位于細桿端部的半球型反射鏡。

圖2所示為現有技術中的一種單次全景光學裝置，其具有連接至透明的間隔圈的拋物面反射鏡。

圖3所示為根據本發(fā)明的實施例的具有二次曲面反射器和反射鏡的全景光學裝置。

圖4所示為根據本公開的實施例在不同角度從二次曲面反射器反射出去的光的光線軌跡圖。

圖5所示為根據本公開的實施例的全景光學裝置的位于孔徑和圖像傳感器之間的光學元件。

圖6所示為根據本公開的實施例的一種單次全景照相機的流程圖。

圖7所示為根據本公開的實施例的一種全景光發(fā)射裝置的流程圖。

附圖標記說明：120-半球型反射鏡，110-桿，220-拋物面反射鏡，210、310-間隔圈，330、430-反射鏡，320、420-二次曲面反射器，322-孔徑，340、440-光學元件，350-圖像傳感器，355-連接器，422、512-孔徑光闌，450、530-傳感器，514-元件A，516-元件B，518-元件C，520-元件D，522-元件E，524-元件F，526-濾波器，528-視場致平器；

605-對圖像拍攝裝置供電并將其激活，610-環(huán)境光在360水平視場內擊中二次曲面反射器，615-環(huán)境光反射進入圖像拍攝裝置的反射鏡，620-從反射鏡反射出的光進入二次曲面反射器的孔徑，625-光束穿過孔徑到達用于限制光束穿的孔徑光闌，630-光束穿過用于減少光束發(fā)散的凸面元件，635-光束穿過第一個雙膠合透鏡，640-光束穿過第二個雙膠合透鏡，645-光束穿過凸面元件以增加光束的匯聚，650-光束穿過用于阻止不需要的波長的濾波器，655-光束穿過用于校正二次曲面反射器內的虛像中的極端場曲率的視場致平器以使得圖像位于基本上是平的焦平面上，660-光學傳感器將由于光被聚焦在光學傳感器的光感表面上所形成的光學圖像轉變成電信號，665-電信號被傳送至用于存儲和/或進一步處理的存儲器中；

705-對光發(fā)射裝置供電并激活，710-處理器產生用于圖像或燈光的電信號，715-微型投影儀芯片組合/或光發(fā)射元件將電信號轉變成光輻射，720-光學發(fā)射穿過一個或多個光學元件以聚焦光束，725-輻射離開光學元件以穿過孔徑，730-輻射從反射鏡反射出去，735-來自反射鏡的輻射從二次曲面反射器反射出去，740：從光發(fā)射裝置產生的輻射在360水平視場內發(fā)射到環(huán)境中。

具體實施方式

本發(fā)明是用于全景光學裝置的解決方案。所述全景光學裝置可以是能夠在360度水平視場內拍攝圖像或者視頻的單次圖像拍攝裝置，全景光學裝置使用在其頂部內具有孔徑的二次曲面反射器（例如，拋物線，雙曲線，或者橢圓反射鏡）。光束從該二次曲面反射器反射出至反射鏡，其反射光束通過孔徑；位于孔徑的反射鏡的相反側的圖像傳感器接收和處理反射光束，圖像傳感器所拍攝的圖像可利用多種數字信號處理（DSP）技術經由軟件/固件算法進行操作，從而最終產生全景圖像。

在不同的實施例中，全景光學裝置的圖像傳感器可被替換為光發(fā)射光源，諸如微型投影儀或者一組彩色發(fā)光二極管（LEDs）。當配置為微型投影儀時，全景光學裝置可以回放由單次照相機所捕獲的圖像；當配置具有發(fā)光二極管時，該全景光學裝置可在360度水平視場內產生時控的/間隔排列的顏色的燈光展。

不考慮實施例，全景光學裝置可作為獨立的裝置或作為外圍裝置實施。因此，全景光學裝置可包括一個或多個處理器，一個或多個存儲器（易失性和非易失性），以及存儲在存儲器中能夠通過一個或多個處理器執(zhí)行的程序指令。全景光學裝置內還可包括網絡收發(fā)器或其他通訊元件（諸如通訊總線），連同電源（電池或基于軸線的電源）。在一些實施例，但不是所有實施例中，全景光學裝置還包括用戶輸入元件（按鈕，觸摸屏，用于接收聲音輸入的麥克風，以及通/斷開關）；在一些實施例，但不是所有實施例中，全景光學裝置還包括諸如小屏幕，狀態(tài)按鈕，功率水平指示器等諸如此類的用戶輸出元件。全景光學裝置能夠使用無線通訊技術（或可選擇地有線通訊技術）與其他全景裝置進行通訊，圖像和/或控制信號能夠通過通訊連接傳送至全景光學裝置/從全景裝置傳送出去。這里所描述的不同的實施例都是為全景光學裝置考慮的。

參考圖3，示出全景光學裝置并根據本公開的實施例進行描述。全景光學裝置包括二次全面反射器320，反射鏡330，以及間隔圈310，光纖從其中穿過；二次曲面反射器320包括位于它的頂端的孔或孔徑322。

在一個實施例中，包含在全景光學裝置的底部的一組元件包括光學元件340和電連接至連接器355的圖像傳感器350。光學元件340將從反射鏡330反射出的光引導到圖像傳感器，光學元件340還可過濾不需要的光波長，校正否則會造成不同顏色聚焦在不同平面和位置處的色差，和/或確保光學圖像基本上位于平坦的焦平面上，盡管存在二次曲面反射器320帶來的失真。

在另一個實施例中，該組元件可包括光發(fā)射器，諸如微型投影儀芯片組或者一組不同顏色發(fā)光二極管（LEDs），這樣允許該全景光學裝置成為光/圖像投影儀而不是圖像拍攝裝置。

二次曲面反射器320是反光錐形面，其可以是拋物面，雙曲表面，半球包面或者橢圓表面。更具體地，這里所使用的二次曲面反射器320是從寬底部到頂端逐漸變細的非退化真正的二次曲面，其中孔徑322定位在頂端。

圖像傳感器350是將光學圖像轉變成電信號的元件。各種圖像傳感器技術可用于圖像傳感器350，這些圖像傳感器技術包括，但不限于，半導體電荷耦合裝置（CCD），互補金屬氧化物半導體（CMOS）中的有源像素傳感器，以及N-型金屬氧化物半導體（NMOS，有源MOS）技術。

在實施例中，圖像傳感器350被替換為微型投影儀（也稱作口袋投影儀，手持投影儀或者迷你投影儀）時，可以利用各種技術，包括，但不限于，數字光處理（DLP），MICROVISION的波束控制，以及LCoS（硅基液晶）為主的技術。

在一個實施例中，光學元件340的正性元件可以由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA,或者丙烯酸），其他透明熱塑性塑料，或者其他合適的物質構成。光學元件340的負性元件可以由聚碳酸酯，其他熱塑性塑料聚合物，或者其他合適的物質構成。

在一個實施例中，內置的位置調節(jié)機構可調節(jié)光學元件340的各個元件彼此相互對準。這種對準可以在工廠，運到零售店后，或者由最終的用戶來執(zhí)行。進行調整的因素對于確保在測試/組裝后的精制階段中對準在適當的公差范圍內尤其有用。該調整可以確保光學元件340的正確對準是被正確地校準和對齊。

在一個實施例中，諸如彈簧或者彈性構件等的抗震/吸震元件可用于將光學元件穩(wěn)定在殼體內。吸震元件對于設計為移動的實施例尤其重要，諸如，實施例中照相機裝置設計用于移動車輛，輪船，火車，頭盔等等。在另一個實施例中，殼體是可以是防水的。實施例可設想為該裝置特別地配置用于戶外和嚴酷的天氣，該裝置是有浮力的，能漂浮在水的表面，該裝置設計用于水下全景場景的拍攝，諸如此類。在防水的實施例中，在通過間隔圈310與外部環(huán)境分離開的內部體積內保留空氣間隙。

圖4示出根據本發(fā)明的實施例的在不同角度從二次曲面反射器反射出去的光的光線軌跡圖。反射的光擊中反射鏡430，并射向孔徑光闌422，從這里，光由光學元件440引導從而擊中傳感器450。

所示的角度相對于水平面的。應該理解的是大多數單次照相機都不能夠處理水平面以下的角度，諸如負15度。二次曲面反射器420相對于反射鏡430和孔徑光闌422的定位導致高保真的垂直視場比利用傳統的技術可能獲得的大得多。

離開反射鏡430的反射導致不同角度的光擊中孔徑光闌422，光學元件 440對光束進行聚焦和過濾以擊中傳感器450。從設計的視角看，傳感器 450的感光是與光學元件440配對的，以最大化圖像的保真度（能夠通過傳感器450讀到），同時最小化光學元件440的成本，因為必要的精度和容差，光學元件的費用相當高。以這種方式，可利用4K圖像傳感器450與該全景光學裝置一起以產生1080線或更高的高清視頻（HDV）。

不同于傳統的單次裝置，光學元件440和傳感器450被保護在二次曲面反射器420的彎曲部分內，這導致緊湊的形狀，這比可選擇的技術更容易保護感光元件。例如，圖1中示出的由桿110懸掛的倒置的半球形反射鏡120在使用時非常容易被損壞或者退化。倒置并懸浮的半球形反射鏡120中的即使是非常小的缺陷也會導致非常大的光衰；相反，所公開的二次曲面反射鏡320，420是緊湊的，更適合被光學組件的底部保護。

圖5示出根據本發(fā)明的實施例的孔徑光闌512和圖像傳感器530之間的光學元件。在圖5中，孔徑光闌512限制穿過光學元件的光束，元件A 514捕獲穿過孔徑光闌的光線并減少光線擴散。在一個實施例中，可以由元件B 516和元件C 518形成雙膠合透鏡，元件D 520和元件E 522產生會聚光束并校正色差，否則色差會造成不同顏色聚焦在不同的平面和位置。所述元件F 524加強光的會聚。在一些實施例中，過濾的波長可使圖像模糊并產生演色性誤差。視場致平器528校正二次曲面反射器420內的虛像中的極端場曲率，視場致平器528使得發(fā)送至傳感器530的圖像位于焦平面上。 在所有實施例中，并不是所有的元件512-528是必需的，并且在本發(fā)明的不同的設想的實施例中還可以包括更多的元件（未示出）。

圖6示出根據本發(fā)明的實施例的單次全景照相機的流程圖。過程從步驟605開始，其中對圖像拍攝裝置供電并將其激活。在步驟610中，環(huán)境光在360水平視場（FOV）范圍內擊中二次曲面反射器。因而，圍繞光學裝置的場景在該360視場內同時被拍攝到，垂直視場取決于結構，但是在一個實施例中垂直視場包括負15度和正45度之間的角度。在步驟615中，環(huán)境光從二次曲面反射器反射至單次全景照相機的反射鏡。在一個實施例中，該反射鏡可直接定為在二次曲面反射器的孔徑之上；該反射鏡基本上是平的（在+/-5％內是平的）。在步驟620中，從反射鏡反射出的光可進入該二次曲面反射器的孔徑。

在本發(fā)明的實施中，一組光學元件可位于孔徑的相反側。在本發(fā)明的每一個設想的結構中，所描述的光學元件不是必需的，并且在本發(fā)明所設想的結構中還可包括另外的元件。在步驟625中，光線可穿過孔徑到達用于限制光束穿過的孔徑光闌；在步驟630中，光束可穿過用于減少光束發(fā)散的凸面元件；在步驟635中，光束穿過第一個雙膠合透鏡以在步驟640中穿過第二個雙膠合透鏡；這些雙合透鏡可以是成對的以減小光束的發(fā)散，從而增加匯聚（例如，參見圖5中的元件516、518、520和522）?？稍O想其他的實施例，其利用單一的雙合透鏡，或者利用多個成對的雙合透鏡（多于2個）。在步驟650中，光束穿過用于阻止不需要的波長的濾波器。例如，在本公開的一些實施例中，因為紅外，紫色，和/或紫外波長會總造成圖像模糊，并產生演色性誤差，所以是不需要的。

在步驟655中，光束穿過用于校正因為二次曲面反射器的圓錐形狀所造成的虛像中的極端場曲率的視場致平器，這使得圖像位于基本上是平的（在+/-10%內是平的）焦平面上。在步驟660中，光學傳感器將由于光被聚焦在光學傳感器的光感表面上所形成的光學圖像轉變成電信號。在步驟665中，電信號可被傳送至用于存儲和/或進一步處理的存儲器中；例如，在一個實施例中，原始圖像被存儲至非暫時的存儲器中，該圖像可由全景投影儀投影，參見圖7，原始圖像可以通過計算機設備進行后續(xù)處理。在另一種實現方式中，可利用多種信號處理技術對電信號進行數字處理，并將后處理存儲至非暫時存儲器和/或作為全景場景直觀地顯示在屏幕上。

圖7示出根據本公開的實施例的全景光發(fā)射裝置的流程圖，該流程所表示的過程從步驟705開始，其中對光發(fā)射裝置供電并激活。在步驟710中，處理器可產生用于要被投影的圖像和/或燈光顯示的電信號，燈光顯示指的是時控的和空間定義的顏色順序。在步驟715中，微型投影儀芯片組和/或光發(fā)射元件可以將電信號轉變成光學光輻射；在一個實施例中，這些輻射可視情況穿過一個或多個光學元件（如，圖5的512-528）以聚焦或調整發(fā)射。在步驟725中，光輻射離開光學元件以穿過孔徑。該孔徑可以是二次曲面反射器的孔徑。在步驟730中，光輻射可以從反射鏡反射出去，并如步驟735所使示的發(fā)射到二次曲面反射器上。在步驟740中，從二次曲面反射器反射出去的輻射可以在360水平視場內發(fā)射到環(huán)境中。

相應地，在這里，本發(fā)明的實施例提供光學裝置的優(yōu)勢包括利用單一圖像傳感器提供水平360度圖像拍攝弓。利用單一圖像傳感器允許無拼接的快速視頻拍攝，因而可以節(jié)省處理時間，以及在沒有數字信號處理所引起的扭曲的情況下保存沒有進行調整的周圍環(huán)境的真實圖像。

與傳統的用于單次照相機（圖1和2）的實施不同，在封裝有光學傳感器的孔徑的頂端上沒有懸浮的半球型或拋物線反射鏡。使用傳統的桿110和/或懸浮的曲面反射鏡220導致嚴重的扭曲并限制可用于垂直視場的角度，而我們使用上部安裝的反射鏡330以及二次曲面反射器320可以克服現有技術的這些局限性。而且，傳統的實施方式所需的半球型反射鏡120和/或拋物線反射鏡220的定位是不穩(wěn)定的，危險的位置，其導致對這些感光表面的高損傷事件。使用具有容納光學元件340和圖像傳感器350的內部空間的二次曲面反射器320比之前更安全以及布置更緊湊，包括在隨著時間的推移的粗暴操作事件中，透明間隔圈310和反射鏡330的最上面的可移動部分可被替換，而最昂貴和敏感的元件（二次曲面反射器320，光學元件，以及圖像傳感器350）保持不變。因而，相比現有技術的解決方案，通過本發(fā)明的創(chuàng)新可以最小化保養(yǎng)費用和/或隨著時間的推移粗暴操作的負面結果。

在前面的說明書中，已經描述了特殊的實施方式。但是，本領域的普通技術人員可以理解在沒有偏離本發(fā)明的范圍的前提下，可以進行各種修改和改變。相應地，說明書和附圖被視為是示例性的而不具有限制意義，并且所有這樣的修改意圖包括在本教導的范圍內。

益處、優(yōu)點、問題的解決方法，以及可能引起任何益處、優(yōu)點、或解決方法發(fā)生或者變得更明顯的任何元件不會被構造為任一或所有權利要求的關鍵的、必須的、或者重要的特征或元件。在本應用的審查過程中，本發(fā)明唯一地由包括附加權利要求的權利要求以及所發(fā)布的那些權利要求的所有等價物定義。

此外，在本發(fā)明中，諸如第一和第二，上部和底部等的關系術語被單獨用于區(qū)分一個實體或動作與另一個實體或動作，不一定要求或者暗示這樣的實體或動作之間的任何實際的關系或順序。術語“包括”、“具有”、“包含”或者它們的任何其他變型，意在覆蓋非排他性的包括，這樣，包括，具有，包含一系列元件的步驟、方法、物品或者裝置不僅僅包括那些元件還可包括沒有明確列出的或者這樣的步驟、方法、物品或者裝置固有的其他元件。沒有更多的限制的情況下，通過“包括……”,“具有……”,“包含……”描述的元件不排除在包括、具有、包含該元件的步驟、方法、物品或者裝置中存在附加的相同的元件。除非明確說明，否則術語“一個”在這里定義為一個或多個。對于本領域技術人員來說，術語“基本上”、“本質上”、“近似”、“大約”或它們的其他任何說法定義為接近，在一個非限制的實施例中，該術語定義為在10%的范圍內，在另一個實施例中，定義為在5%范圍內。這里所使用的術語“耦合的”定義為連接，盡管沒必要直接以及沒必要機械地連接；以特定方式“配置的”裝置或結構被至少以那樣的方式配置，但也可以以沒有列出的方式配置。

應該理解的是，一些實施例可以包括一個或多個一般的或特殊的處理器（或者“處理裝置”），諸如微處理器，數字信號處理器，定制處理器和場可編程門陣列（FPGAs），以及結合特定的非處理器電路控制一個或多個處理器去執(zhí)行這里所描述的方法和/或裝置的一些，大多數，或者所有的功能的獨特的存儲程序指令（包括軟件和固件）?？蛇x擇地，一些或全部功能可通過沒有存儲的程序指令的狀態(tài)機執(zhí)行，或者在一個或多個應用中，特定的集成電路（ASICs），其中每個功能或特定功能的一些組合被作為定制邏輯執(zhí)行。當然，也可使用兩種方法的組合。

此外，實施例可作為具有存儲在其上的計算機可讀代碼的計算機可讀存儲介質來實施，計算機可讀代碼用于編程計算機（例如，包括處理器）以執(zhí)行這里所描述和聲稱的方法。這樣的計算機可讀介質的例子包括，但不限于，硬盤，CD-ROM，光學存儲裝置，磁存儲裝置，ROM（只讀存儲器），PROM（可編程的只讀存儲器），EPROM（可擦除的可編程只讀存儲器），EEPROM（電可擦除的可編程只讀存儲器）以及閃存。而且，期望本領域的普通技術人員，通過可用的時間，當前的技術和經濟考慮所激發(fā)的可能顯著的努力和許多設計選擇的積極性，但是當被這里所公開的概念和原理引導時，將會用最少的實驗很容易地能夠產生這樣的軟件指令和程序以及ICs。

此外，在前面的具體實施方式中，可以看出，在各個實施例中，為了精簡本發(fā)明，將各種特征組合在一起。本發(fā)明的這種方法不被解釋為反映所聲稱的實施例需要的特征比在每個權利要求中明確敘述的特征要多的意圖。而且，如權利要求所反映的，發(fā)明的主題在于比單個公開的實施例的所有特征要少。因此，據此將權利要求引入具體實施例中作為原始公開的一部分，并且即使在本應用的起訴過程中從權利要求中刪除，也能保持如此，每個權利要求自身作為獨立要求的主題。此外，沒有示出的主題不應該被認為是必然存在的，并且在一些例子中，有必要通過使用負面的限制來定義權利要求，這里僅僅通過不示出在這樣的負面限制中否認的主題來獲得支持。