利用全景环带成像透镜实现立体成像装置及其方法转让专利
申请号 : CN200810162300.4
文献号 : CN101414054B
文献日 : 2010-12-15
发明人 : 白剑 , 牛爽 , 侯西云 , 杨国光
申请人 : 浙江大学
摘要 :
本发明公开了一种利用全景环带成像透镜实现立体成像装置及其方法。物点发出的光线，经过第一全景环带成像透镜成像在像面上，其像为第一环带；物点发出的另外一条光线，经过第二全景环带成像透镜，也成像在同一像面上，其像为第二环带；通过改变第一全景环带成像透镜中各表面的曲率以及第二全景环带成像透镜中各表面的曲率，使得第一环带的外径，小于第二环带的内径。本发明利用位于同一光轴上的两个全景环形透镜，将环带物空间中的同一个物点成像在位于同一像面上的两个不重叠的像点上，由于该两个像点是从不同的视角对同一物点所获得的信息，因此就可获得该物点的立体信息，从而仅用一个光学系统就实现全景环带空间的立体成像。
权利要求 :
1.一种利用全景环带成像透镜实现立体成像装置，其特征在于，在同一光轴上依次设有第一全景环带成像透镜(1)、第二全景环带成像透镜(6)、后继转像透镜(12)和像面(13)，第一全景环带成像透镜(1)一面为向外突出的环形第一折射面(2)，另一面为向外突出的环形第一反射面(3)，在环形第一折射面(2)中心设有凹面第二反射面(4)，环形第一折射面(2)中心内环边缘与第二反射面(4)边缘相接，在环形第一反射面(3)中心设有第二折射面(5)，环形第一反射面(3)中心内环边缘与第二折射面(5)边缘相接，第二全景环带成像透镜(6)一面为向外突出的环形第三折射面(7)，另一面为向外突出的环形第三反射面(10)，在环形第三折射面(7)中心设有凹面环型第四反射面(8)，环形第三折射面(7)中心内环边缘与环型第四反射面(8)外边缘相接，在凹面环型第四反射面(8)中心设有第四折射面(9)，凹面环型第四反射面(8)中心内环边缘与第四折射面(9)边缘相接，在环形第三反射面(10)中心设有第五折射面(11)，环形第三反射面(10)中心内环边缘与第五折射面(11)边缘相接。
2.根据权利要求1所述的一种利用全景环带成像透镜实现立体成像装置，其特征在于所述的后继转像透镜(12)为一片或多片凸透镜或凹透镜。
3.一种使用如权利要求1所述装置的利用全景环带成像透镜实现立体成像的方法，其特征在于物点发出的光线(14)，经过第一全景环带成像透镜(1)成像在成像平面(13)上，其像为第一环带(16)；物点发出的另外一条光线(15)，经过第二全景环带成像透镜(6)也成像在成像平面(13)上，其像为第二环带(17)；通过改变第一全景环带成像透镜(1)中环形第一折射面(2)、第一反射面(3)和第二反射面(4)的曲率以及第二全景环带成像透镜(6)中第三折射面(7)、第四反射面(8)和第三反射面(10)的曲率，使得第一环带(16)的外径，小于第二环带(17)的内径。
说明书 :
技术领域
本发明涉及透镜成像装置及其方法，尤其涉及一种利用全景环带成像透镜实现立体成像装置及其方法。
背景技术
传统的全景立体成像一般需要两个小视场成像镜头对准相同的景物，获得小视场景物的立体信息，然后同时将该两个成像镜头旋转360°实现全景立体成像。这种方法需要运动部件，需要进行立体图像的软件拼接，可靠性差；同时无法实现瞬时全景立体成像。
基于平面圆柱投影原理的全景环带成像技术是一种与传统中心投影原理截然不同的新成像技术，可在无需转动成像系统的条件下，将周围360°的环带景物一次性地成像在同一个环带像面上，从光学原理上实现了360°全景凝视成像。如专利US Patent 4,566,763，1986和US Patent 5,473,474，1995所述，全景透镜采用平面圆柱投影法FCP(Flat Cylinder Perspective)，将围绕光学系统光轴360°范围的圆柱视场投影到二维平面上的一个环形区域内。该全景镜头由玻璃等透光性材料构成，全景透镜及其后继透镜组的几何结构由图3所示，透镜一面为向外突出的环形第一折射面2，透镜另一面为向外突出的环形第一反射面3，在透镜环形第一折射面中心设有凹面第二反射面4，环形第一折射面2中心内环边缘与第二反射面4边缘相接，在环形第一反射面3中心设有第二折射面5，环形第一反射面3中心内环边缘与第二折射面5边缘相接。
光线从2面进入被折射到3面，经3面反射到4面，经4面反射到5面，最后在5面折射出透镜。光线通过全景透镜后在其内部或后方形成虚像，该虚像通过后继透镜组12变换成实像，被位于像面13的CCD/CMOS探测器所接收，成环带像。
利用该全景环带成像技术可方便实现全景立体成像，即利用双目视觉原理，将两个全景环带成像系统并排放置。该方法的优点是无运动部件，可实时获得全景图像，但由于存在360°环带景物部分被另一个全景成像系统所遮挡的现象，无法获得完整的全景立体成像信息，同时使用两个全景成像系统，增加了系统的重量及系统复杂度。国外及国内也有学者提出利用两双曲面折反相机实现全景立体成像的方法，一改并排放置的方法，将两个全景相机上下同轴放置，但由于需要两个光学系统及两个探测器，不仅结构复杂、重量重，而且存在图像匹配误差。
韩国及加拿大等学者利用两高次非球面反射镜完成了全景立体成像光学系统研制，为仅用一个光学系统就能实现全景立体成像提出了有效的解决途径，但由于光学系统基于全反射结构，系统的反射镜尺寸相对于光学系统的焦距来说过于庞大，且系统结构仅限于细光束成像，难以提高光学系统的分辨率，尤其在红外波段，难以实现小F数(即大相对口径，如D/F＝1)的满足红外探测器要求的全景立体成像光学系统。
基于平面圆柱投影原理的全景环带成像技术是一种与传统中心投影原理截然不同的新成像技术，可在无需转动成像系统的条件下，将周围360°的环带景物一次性地成像在同一个环带像面上，从光学原理上实现了360°全景凝视成像。如专利US Patent 4,566,763，1986和US Patent 5,473,474，1995所述，全景透镜采用平面圆柱投影法FCP(Flat Cylinder Perspective)，将围绕光学系统光轴360°范围的圆柱视场投影到二维平面上的一个环形区域内。该全景镜头由玻璃等透光性材料构成，全景透镜及其后继透镜组的几何结构由图3所示，透镜一面为向外突出的环形第一折射面2，透镜另一面为向外突出的环形第一反射面3，在透镜环形第一折射面中心设有凹面第二反射面4，环形第一折射面2中心内环边缘与第二反射面4边缘相接，在环形第一反射面3中心设有第二折射面5，环形第一反射面3中心内环边缘与第二折射面5边缘相接。
光线从2面进入被折射到3面，经3面反射到4面，经4面反射到5面，最后在5面折射出透镜。光线通过全景透镜后在其内部或后方形成虚像，该虚像通过后继透镜组12变换成实像，被位于像面13的CCD/CMOS探测器所接收，成环带像。
利用该全景环带成像技术可方便实现全景立体成像，即利用双目视觉原理，将两个全景环带成像系统并排放置。该方法的优点是无运动部件，可实时获得全景图像，但由于存在360°环带景物部分被另一个全景成像系统所遮挡的现象，无法获得完整的全景立体成像信息，同时使用两个全景成像系统，增加了系统的重量及系统复杂度。国外及国内也有学者提出利用两双曲面折反相机实现全景立体成像的方法，一改并排放置的方法，将两个全景相机上下同轴放置，但由于需要两个光学系统及两个探测器，不仅结构复杂、重量重，而且存在图像匹配误差。
韩国及加拿大等学者利用两高次非球面反射镜完成了全景立体成像光学系统研制，为仅用一个光学系统就能实现全景立体成像提出了有效的解决途径，但由于光学系统基于全反射结构，系统的反射镜尺寸相对于光学系统的焦距来说过于庞大，且系统结构仅限于细光束成像，难以提高光学系统的分辨率，尤其在红外波段，难以实现小F数(即大相对口径，如D/F＝1)的满足红外探测器要求的全景立体成像光学系统。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种利用全景环带成像透镜实现立体成像装置及其方法。
利用全景环带成像透镜实现立体成像装置是：在同一光轴上依次设有第一全景环带成像透镜、第二全景环带成像透镜、后继转像透镜和像面，第一全景环带成像透镜一面为向外突出的环形第一折射面，另一面为向外突出环形第一反射面，在环形第一折射面中心设有凹面第二反射面，环形第一折射面中心内环边缘与第二反射面边缘相接，在环形第一反射面中心设有第二折射面，环形第一反射面中心内环边缘与第二折射面边缘相接，第二全景环带成像透镜一面为向外突出的环形第三折射面，另一面为向外突出环形第三反射面，在环形第三折射面中心设有凹面环型第四反射面，环形第三折射面中心内环边缘与环型第四反射面外边缘相接，在凹面环型第四反射面中心设有第四折射面，凹面环型第四反射面中心内环边缘与第四折射面边缘相接。在环形第三反射面中心设有第五折射面，环形第三反射面中心内环边缘与第五折射面边缘相接。
所述的后继转像透镜为一片或多片凸透镜或凹透镜。
利用全景环带成像透镜实现立体成像的方法是：物点发出的光线，经过第一全景环带成像透镜成像在像面上，其像为第一环带；物点发出的另外一条光线，经过第二全景环带成像透镜，也成像在同一像面上，其像为第二环带；通过改变第一全景环带成像透镜中环形第一折射面、第一反射面和第二反射面的曲率以及第二全景环带成像透镜中第三折射面、第四反射面和第三反射面的曲率，使得第一环带的外径，小于第二环带的内径。
本发明利用位于同一光轴上的两个全景环形透镜，将环带物空间中的同一个物点成像在位于同一像面上的两个像点上，而该两个像点分别位于两个全景环形透镜对同一环带物空间所成的彼此相邻但大小不同的同心环带像区域内。由于该两个像点是从不同的视角对同一物点所获得的信息，因此就可获得该物点的立体信息，从而仅用一个光学系统就实现全景环带空间的立体成像。该系统由于利用全景环形透镜实现环带成像，与反射式的全景环带成像结构相比，可提高光学系统的相对口径，具有高分辨全景立体成像能力。该全景立体成像系统将具有如下特点：1)仅用一个全景光学系统和一个探测器，结构简单，重量轻；2)无运动部件，无需转动光学系统，可靠性高。
利用全景环带成像透镜实现立体成像装置是：在同一光轴上依次设有第一全景环带成像透镜、第二全景环带成像透镜、后继转像透镜和像面，第一全景环带成像透镜一面为向外突出的环形第一折射面，另一面为向外突出环形第一反射面，在环形第一折射面中心设有凹面第二反射面，环形第一折射面中心内环边缘与第二反射面边缘相接，在环形第一反射面中心设有第二折射面，环形第一反射面中心内环边缘与第二折射面边缘相接，第二全景环带成像透镜一面为向外突出的环形第三折射面，另一面为向外突出环形第三反射面，在环形第三折射面中心设有凹面环型第四反射面，环形第三折射面中心内环边缘与环型第四反射面外边缘相接，在凹面环型第四反射面中心设有第四折射面，凹面环型第四反射面中心内环边缘与第四折射面边缘相接。在环形第三反射面中心设有第五折射面，环形第三反射面中心内环边缘与第五折射面边缘相接。
所述的后继转像透镜为一片或多片凸透镜或凹透镜。
利用全景环带成像透镜实现立体成像的方法是：物点发出的光线，经过第一全景环带成像透镜成像在像面上，其像为第一环带；物点发出的另外一条光线，经过第二全景环带成像透镜，也成像在同一像面上，其像为第二环带；通过改变第一全景环带成像透镜中环形第一折射面、第一反射面和第二反射面的曲率以及第二全景环带成像透镜中第三折射面、第四反射面和第三反射面的曲率，使得第一环带的外径，小于第二环带的内径。
本发明利用位于同一光轴上的两个全景环形透镜，将环带物空间中的同一个物点成像在位于同一像面上的两个像点上，而该两个像点分别位于两个全景环形透镜对同一环带物空间所成的彼此相邻但大小不同的同心环带像区域内。由于该两个像点是从不同的视角对同一物点所获得的信息，因此就可获得该物点的立体信息，从而仅用一个光学系统就实现全景环带空间的立体成像。该系统由于利用全景环形透镜实现环带成像，与反射式的全景环带成像结构相比，可提高光学系统的相对口径，具有高分辨全景立体成像能力。该全景立体成像系统将具有如下特点：1)仅用一个全景光学系统和一个探测器，结构简单，重量轻；2)无运动部件，无需转动光学系统，可靠性高。
附图说明
图1是利用全景环带成像透镜实现立体成像装置示意图；
图2是本发明的像面图；
图3是全景透镜成像原理示意图；
图中：第一全景环带成像透镜1、第一折射面2、第一反射面3、第二反射面4、第二折射面5、第二全景环带成像透镜6、第三折射面7、第四反射面8、第四折射面9、第三反射面10、第五折射面11、后继转像透镜12、成像平面13、第一条光线14、第二条光线15、第一环带像面16、第二环带像面17、物点P、第一像点P’、第二像点P”。
图2是本发明的像面图；
图3是全景透镜成像原理示意图；
图中：第一全景环带成像透镜1、第一折射面2、第一反射面3、第二反射面4、第二折射面5、第二全景环带成像透镜6、第三折射面7、第四反射面8、第四折射面9、第三反射面10、第五折射面11、后继转像透镜12、成像平面13、第一条光线14、第二条光线15、第一环带像面16、第二环带像面17、物点P、第一像点P’、第二像点P”。
具体实施方式
如图1、2所示，利用全景环带成像透镜实现立体成像装置是在同一光轴上依次设有第一全景环带成像透镜1、第二全景环带成像透镜6、后继转像透镜12、像面13，第一全景环带成像透镜1一面为向外突出的环形第一折射面2，另一面为向外突出的环形第一反射面3，在环形第一折射面中心设有凹面第二反射面4，环形第一折射面2中心内环边缘与第二反射面4边缘相接，在环形第一反射面3中心设有第二折射面5，环形第一反射面3中心内环边缘与第二折射面5边缘相接，第二全景环带成像透镜6一面为向外突出的环形第三折射面7，另一面为向外突出的环形第三反射面10，在环形第三折射面7中心设有凹面环型第四反射面8，环形第三折射面7中心内环边缘与环型第四反射面8边缘相接，在凹面环型第四反射面8中心设有第四折射面9，凹面环型第四反射面8中心内环边缘与第四折射面9边缘相接。在环形第三反射面10中心设有第五折射面11，凹面环形第三反射面10中心内环边缘与第五折射面11边缘相接。所述的后继转像透镜12为一片或多片凸透镜或凹透镜。第一环带16为第一全景环带成像透镜1的成像区域；第二环带17为第二全景环带成像透镜6的成像区域。
如图3所示，全景透镜的结构是：一面为向外突出的环形第一折射面2，透镜另一面为凹面环形第一反射面3，在透镜环形第一折射面中心设有凹面第二反射面4，环形第一折射面2中心内环边缘与第二反射面4边缘相接，在凹面环形第一反射面3中心设有第二折射面5，凹面环形第一反射面3中心内环边缘与第二折射面5边缘相接。全景透镜的成像原理是：光线从2面进入被折射到3面，经3面反射到4面，经4面反射到5面，最后在5面折射出透镜。光线通过全景透镜后在其内部或后方形成虚像，该虚像通过后继透镜组12变换成实像，被位于像面13的CCD/CMOS探测器所接收。
利用全景环带成像透镜实现立体成像的方法是：物点P发出的光线14，经过第一全景环带成像透镜1成像在表面13上，其像P’在第一环带16内；物点P发出的另外一条光线15，经过第二全景环带成像透镜6，也成像在表面13上，其像P”在第二环带17内；通过改变第一全景环带成像透镜1中环形第一折射面2、第一反射面3和第二反射面4的曲率以及第二全景环带成像透镜6中第三折射面7、第四反射面8和第三反射面10的曲率，使得第一环带16的外径，小于第二环带17的内径。
由于全景环带成像像面中心不可避免地存在圆形盲区，本发明利用该盲区，使第一全景环带成像透镜1的成像区域16在第二全景环带成像透镜6的成像区域17的盲区范围内，两个环带成像区域16和17互不重合。系统所成的环带像是彼此相邻、大小不同的同心环带像，利用该两个环带像的信息，就可以基于双目视觉的原理，通过数字图像处理，获得全景环带视场的深度信息。
第一全景环带成像透镜1和第二全景环带成像透镜6制造时：设计好光学系统后，确定好光学玻璃的种类，然后将第一全景环带成像透镜1和第二全景环带成像透镜6分别磨制成指定形状，对第一折射面2、第一反射面3、第二反射面4、第二折射面5、第三折射面7、第四反射面8、第四折射面9、第三反射面10、第五折射面11分别抛光，然后在第一反射面3、第二反射面4、第四反射面8、第三反射面10上，通过真空蒸镀等方式，镀上金属增反膜来增加表面反射率。在第一折射面2、第二折射面5、第三折射面7、第四折射面9、第五折射面11上镀增透膜，来增加表面透过率。镀膜的波长根据设计的中心波长确定。
后继转像透镜12制造时：根据设计好的光学系统，确定后继转像透镜12所需要的透镜片数，光学玻璃的种类，然后把后继转像透镜磨制成指定形状，对各片的通光表面镀增透膜，来增加表面透过率。镀膜的波长根据设计的中心波长确定。
本发明可通过建立初始结构，利用光学设计软件优化设计完成最终系统的设计。在利用ZEMAX软件进行优化设计时，可通过Multi-configuration完成同一视场、不同入瞳、相同像面、不同像高的优化设计。第一全景环带成像透镜1和第二全景环带成像透镜6之间可以采用透明的圆柱形有机玻璃作为支撑。
如图3所示，全景透镜的结构是：一面为向外突出的环形第一折射面2，透镜另一面为凹面环形第一反射面3，在透镜环形第一折射面中心设有凹面第二反射面4，环形第一折射面2中心内环边缘与第二反射面4边缘相接，在凹面环形第一反射面3中心设有第二折射面5，凹面环形第一反射面3中心内环边缘与第二折射面5边缘相接。全景透镜的成像原理是：光线从2面进入被折射到3面，经3面反射到4面，经4面反射到5面，最后在5面折射出透镜。光线通过全景透镜后在其内部或后方形成虚像，该虚像通过后继透镜组12变换成实像，被位于像面13的CCD/CMOS探测器所接收。
利用全景环带成像透镜实现立体成像的方法是：物点P发出的光线14，经过第一全景环带成像透镜1成像在表面13上，其像P’在第一环带16内；物点P发出的另外一条光线15，经过第二全景环带成像透镜6，也成像在表面13上，其像P”在第二环带17内；通过改变第一全景环带成像透镜1中环形第一折射面2、第一反射面3和第二反射面4的曲率以及第二全景环带成像透镜6中第三折射面7、第四反射面8和第三反射面10的曲率，使得第一环带16的外径，小于第二环带17的内径。
由于全景环带成像像面中心不可避免地存在圆形盲区，本发明利用该盲区，使第一全景环带成像透镜1的成像区域16在第二全景环带成像透镜6的成像区域17的盲区范围内，两个环带成像区域16和17互不重合。系统所成的环带像是彼此相邻、大小不同的同心环带像，利用该两个环带像的信息，就可以基于双目视觉的原理，通过数字图像处理，获得全景环带视场的深度信息。
第一全景环带成像透镜1和第二全景环带成像透镜6制造时：设计好光学系统后，确定好光学玻璃的种类，然后将第一全景环带成像透镜1和第二全景环带成像透镜6分别磨制成指定形状，对第一折射面2、第一反射面3、第二反射面4、第二折射面5、第三折射面7、第四反射面8、第四折射面9、第三反射面10、第五折射面11分别抛光，然后在第一反射面3、第二反射面4、第四反射面8、第三反射面10上，通过真空蒸镀等方式，镀上金属增反膜来增加表面反射率。在第一折射面2、第二折射面5、第三折射面7、第四折射面9、第五折射面11上镀增透膜，来增加表面透过率。镀膜的波长根据设计的中心波长确定。
后继转像透镜12制造时：根据设计好的光学系统，确定后继转像透镜12所需要的透镜片数，光学玻璃的种类，然后把后继转像透镜磨制成指定形状，对各片的通光表面镀增透膜，来增加表面透过率。镀膜的波长根据设计的中心波长确定。
本发明可通过建立初始结构，利用光学设计软件优化设计完成最终系统的设计。在利用ZEMAX软件进行优化设计时，可通过Multi-configuration完成同一视场、不同入瞳、相同像面、不同像高的优化设计。第一全景环带成像透镜1和第二全景环带成像透镜6之间可以采用透明的圆柱形有机玻璃作为支撑。