全景成象装置 【技术领域】
本发明涉及超广角视场的全景图象传感，并尤其涉及利用基本上是自校正的两反射镜子系统的图象传感。“全景”一词意指在水平面上360°的视场，而“超广角”一词意指垂直平面上120°或更大的视场。优选垂直平面上的视场大于180°，大于200°更好，并且对于理想的设备，最好大于260°。背景技术
透视成象系统聚集来自景物的穿过一个参考点的光线并将其投影到传感元件上，如胶片上或电荷耦合器件(CCD)上。透视成象系统中的一个参考点认做是系统的视点。Yamazawa等人在1993年的IEEEInternational Conference on Robotics and Automation中的“Omnidirectional Imaging with Hyperboloidal Projection”、Nalwa在1996年1月的ATT Bell Laboratories Technical Memorandum，BL0115500-960115-01中的“A True Omnidirectional Viewer”和Nayar在1997年5月的DARPA Image Understanding Workshop中地“Omnidirectional Video Camera”中均描述了对单视点的需要，这些文章的内容在此引为参考。我们断定，光传播通过成象系统的性质和图象传感器的形状会在投影到传感元件上的图象中引发几何变形。在包括监视、遥感、巡航、模型采集、虚拟现实、计算机观察和遥控学等大量应用中，出于观察和分析的目的希望可以校正这些几何变形。单视点的缺乏导致光瞳中的象差，这证明它本身是不可校正的几何变形(畸变)。
成象系统根据其视场的分类如下：
1.传统的成象系统，在窄小的视场中成象，通常是球形视场的八分之一圆周(达到90度)。
2.全景成象系统，对景物的全景成象。在水平方向可以把视场看成一个被两个平行平面截顶给出360度视场的球面，在垂直方向是一个有限的视场。
3.全向成象系统，在基本上为球形或半球形视场中成象。
1.只利用折射元件的折光系统；
2.只利用反射元件的反射系统；和
3.利用反射和折射元件的组合的反折射系统。
提供透视投影的最简单的系统大概是针孔相机。按照惯例，用透镜简单地代替针孔是因为透镜有优越的集光能力。但虽然透镜可以是广角，可它受半球形视场的限制，仍然保持单视点，尽管物理上对设计这种广角透镜提出质疑。
E.H.Hall等人在1986年的SPIE Vol.728 Optics，Illumination andImage Sensing for Machine Vision第250页的“Omnidirectional Viewingusing a Fish Eye Lens”一文中描述了改变维持单视点的透镜，这一文章在此引用。这些透镜已知实现大于半球形的视场，在垂直方向上高达280度。但是，这些所谓的鱼眼透镜与常规透镜相比，非常庞大且复杂，且图象在视场上遭受严重的几何变形和分辨率的下降。而且，对透镜成象的光线的单参考点的缺乏使得它们在上述大量应用中不合格。Zimmerman的美国专利5,185,667和Kuban的美国专利US5,359,363描述了附加采用鱼眼透镜，该文在此引用。所以，那些寻求保持单视点的已知的折光系统限制在一个窄小的视场。
只利用反射元件，所以反射成象系统是最接近理想的成象系统。折射元件的缺乏消除了色差的可能性，使得这些系统能在宽范围的照明波长下工作。但是，反射系统最大的优点在于反射元件可以校正几乎所有困扰成象系统的象差，包括场弯曲和光瞳中的球差。这种系统的缺点在于它们的集光能力需要它们以较低的F数工作。
已知反折射系统就视场而言跨越整个范围，从全方向到全景再到传统的窄视场。最简单的广角反折射系统包括两个光学元件：一个放置在物镜前面的弯曲的非平面初级反射器。Nayar等人在1998年1月的IEEE International Conference on Computer Vision上的“CatadioptricImage Formation”中描述了所有类型的反射镜透镜的组合，既捕获广角视野，同时又维持单视点，该文在此引为参考。另外，对于有单视点的反射镜，需要反射镜是表面。在此引为参考，显示出只有具有焦点特性的二维曲面是圆锥部分。因此，只有维持单视点的反射镜是旋转体的圆锥部分。另外，实际上可以实现的是抛物面、双曲面和椭圆面。在这里值得提起的是虽然球面是一个直观的办法，但它是不实际的，因为焦点是球面的中心，并出于焦点是圆锥的顶点的原因而是圆锥。
在Shree Nayar的美国专利US5,760,826中描述了一种反折射全向成象系统，该文在此引为参考。该系统使用凸抛物面反射镜、远心中继物镜和标准照相机透镜，标准照相机透镜把从单视点捕获的基本上为半球形景物的环形象投射到平面传感器件如CCD上。该系统的缺点在于非球面的利用导致剩余的视场曲率。这防止了它与低F数袖珍系统的联合使用。
更复杂的反折射全景成象系统是一种利用两个反射面结合一个中继物镜的系统。在此系统中，初级反射器汇集景物强度信息，并再从次级反射器反射到中继物镜上。
对于单视点的整个系统，虽然初级反射镜必须有一个单视点(它是整个系统的视点)，但次级反射镜不必要有一个单视点。1984年JohnWiley and Sons出版的Cornbleet的“Microwave and Optical RayGeometry”一文中描述了开发这种具有一个总的单视点的反射镜系统的方法，该文在此引为参考。可以看到，一些具有奇特形状的各种成对反射镜可以用于构成有用的反折射成象系统。但是我们断定，具有复杂形状的反射镜产生混杂的光学象差。而且甚至似乎简单的表面，如二次曲面(平面的二阶代数曲面旋转体的表面)也可以产生复杂的光学象差。在我们的调查中发现，只有可以形成光学上可以接受的两个反射镜系统的二次曲面是旋转体的锥面部分，即抛物面、椭圆面和双曲线面。
在几何学上公知，锥面(因而由旋转体的锥面形成的反射镜)的特点在于锥面一个焦点方向上的光被锥面反射聚集到锥面的另一个焦点处。因此，我们断定，对于维持总的单视点的锥面成对反射镜，需要两个锥面是共焦的，即初级锥面反射镜的远焦点与次级锥面反射镜的近焦点重合(有一个特例是抛物面，公共焦点在无限远)。当两个反射镜共焦时，即系统保持单参考视点时，两反射镜子系统校正光瞳中的球差。通过把中继物镜的入射光瞳定位于次级锥面的远焦点而制成成象系统。
在Jeffrey Charles维持的英特网网址为http：//www.versacorp.com的网络中以及Cox的美国专利US4,484,801中描述了两反射镜的全景成象系统。虽然这些系统在性质上是全景的，但没有一个保持单参考视点，导致从初级反射器中捕获的图象中有严重的几何变形。这种变形在光瞳中表现为球差的形式。这些系统的复杂性在于它们的中继物镜，需要对物镜补偿这些严重的球差。这些系统还显示出复杂的视场曲率，大部分是难于校正的象差。结果，这些系统具有较高的F数，导致中继物镜附加的复杂性。Jeffrey Charles’系统具有的F数范围从22～16。Cox’s系统包括用于场曲率校正的12个透镜组件。
Driseoll等人的国际专利申请PCT/US97/09313中描述了另一个类似的全景系统的例子。该系统采用初级凸抛物面反射器和次级平面反射器，并因此存在严重的象散和场曲率，需要额外的象散校正透镜和场平化透镜。另外，在象散校正透镜中采用强力元件导致有害的球差量(缺乏单参考视点)，并在最终的象中产生慧差。
Rees的美国专利US3,505,465中描述了两反射镜反折射系统的另一个例子。该系统采用一个凸双曲面反射镜作为初级反射器，采用一个凸球面反射镜作为次级反射器，与一个复合中继物镜结合。两个凸反射镜的使用导致系统显示出严重的场曲率，因此需要一个复合中继物镜。
Greguss的美国专利US4,566,763中描述了两反射镜系统的另一个例子，该系统采用两个抛物面反射面、一个折射面和一个远心物镜。可以看出，此种具有两个试图保持整体单视点的抛物面的共焦反射镜子系统必需使用一个透视中继物镜，因此在此描述的系统不会保持单参考视点。
Rosendahl和Dicks的美国专利US4,395,093描述了一种两反射镜系统，其中的初级反射器是一个凸双曲面，次级反射器是一个凹双曲面与包括21个元件的复合物镜的组合。因为两个反射器具有非常不同的曲率半径，所以该系统显示出严重的场曲率，这通过复合物镜部分地校正。
椭圆、球面或扁球面。次级反射器是一个旋转体的凸圆锥面，典型的是一个双曲面，当然也使用了球面。因为初级反射镜是凹面，所以垂直平面中的视场限制在180°。可以通过在整体布局前增加一个衍射负壳增加10°。调查表明还没有明显的作用使两反射镜共焦，而且还证明利用球面或扁球面与双曲面的结合导致光瞳的严重球差。因此，该系统没有一个单视点，表明需要一个复合的中继物镜。
Davis等人的美国专利US5,627,675公开了一个全景成象系统，该系统采用两个元件作为其初级会聚子系统，包括Mersenne镜片；第一元件为凸抛物面反射器，第二元件为凹抛物面反射器。从上述讨论可知，抛物面反射镜系统包括一对共焦锥面反射镜，它保持一个单参考视点，因而很大程度地消除了光瞳中的象差。但是，对于发生在两反射镜子系统中的任何场校正，两反射镜必需有相同的曲率半径。这样做由于次级反射器所致的景物渐晕而严重限制了视场，典型的情况是视场在水平方向上下小于45°。
总而言之，现有已知的反折射全景成象系统都有缺点。大部分系统关于成象系统没单视点。这导致光瞳中严重的球差，表明其本身在捕获的图象中是不可校正的几何畸变。维持单视点的那些系统不是由于剩余的不可校正的很大场曲率而在改变光状态和F数的情况下工作能力受到限制，就是由于光学元件的渐晕所致而使垂直视场受到限制。另外，校正上述球差和场曲率的物镜的使用导致色差。再者，这些物镜也趋于复杂和昂贵。
现有的上述状况中的缺点基本上由在此公开的本发明补救。以上参考的专利和公开物并没有隐含在此将要公开的全景成象装置和方法。3.本发明的梗概
本发明的一个方面是具有超广角视场的用于对景物成象的全景成象装置，包括：
a.一个图象传感器，放置成接收超广视场；
b.一个基本上自校正的两反射器子系统，该子系统包括：
ii.一个与初级反射器光学耦合的次级截顶反射器，所述的次级截顶反射器放置成反射由初级反射器反射的图象；
其特征在于初级和次级反射器具有的形状和大小基本上校正投影到图象传感器上的图象的场曲率；和
c.一个中继系统，光学耦合到次级反射器，用于基本上滤除没有被次级反射器反射的主要光线。
在一个实施例中，两个反射镜具有的形状和大小能从单视点捕获超广角景物。
为了本发明的目的，超广角视场包括一个大于或等于120度的视场。即构成一个从光轴延伸至少60°的圆锥。这可能在光轴的中间附近存在一个盲点。本发明的超广角视场优选包括一个大于或等于180°的全景视场，大于或等于200°更好。在本发明的选择实施例中，视场可以大于或等于220°。
在根据本发明的一个装置的实施例中，初级反射器是凸面的。在另一个实施例中，初级反射器是凹面的。
在另一个实施例中，初级反射器的表面是一个旋转体的锥面，遵循下列方程：
r2＝2R1z-(1+k1)z2 (1)
因为反射器具有轴对称性，所以方程(1)也代表反射器的截面。r是半径坐标，即r2＝x2+y2，并且z是沿光轴Z的坐标。R1是形成反射器的锥面的曲率半径，k1是锥面常数。k1＜-1，则反射器是旋转双曲面；k1＝-1，则反射器是抛物面；-1＜k1≤0，则反射器是椭圆。注意到，对于k1＝0的情况，初级反射器是一个球面。
反射器在垂直于光轴Z的平面中截顶，使得由反射器对所需的视场成象。
在反射器的顶点(最高点)产生一个具有选择直径的孔，从而产生一条光路，从次级反射器反射的光可从该光路通过而基本上没有渐晕。该孔用于清除被初级反射器反射的光的目的，使得这些光基本上不通过成象系统的单视点。
在另一个实施例中，初级反射器是一个高阶(＞2，如14)旋转面。
在根据本发明的一个装置的实施例中，次级反射器是凹面的。在另一个实施例中，次级反射器是凸面的。
在另一个实施例中，次级反射器是旋转锥形式。次级反射器最好沿光轴放置，与初级反射器的光轴Z重合。次级反射器的表面遵循下列方程：
r2＝2R2z-(1+k2)z2 (2)
此处再一次表明，由于是轴对称，方程(2)也代表反射器的截面。其中r是半径坐标，并且z是沿光轴Z的坐标。R2是形成反射器的锥面的曲率半径，k2是锥面常数。k2＜-1，则反射器是旋转双曲面；k2＝-1，则反射器是抛物面；-1＜k2≤0，则反射器是椭圆。注意到，对于k2＝0的情况，次级反射器是一个球面。
反射器在垂直于光轴Z的平面中截顶，使得由次级反射器对初级反射器反射的光成象。
在另一实施例中，次级反射器是一个高阶(＞2，如14)旋转面。
在另一实施例中，两反射器顶点之间的距离基本上遵循下列方程：d1=2R1-k1|1+k1|+R21+-k2-R11+-k1.---(3)]]>
在一个实施例中，中继系统最好沿光轴放置，与初级和次级反射器的公共光轴Z重合，使得初级反射器物理上位于中继系统和次级反射器之间。中继系统是一个用于把象投影到另一位置的光学元件，即它是一个用于把象接转到传感器的装置。
在另一实施例中，中继系统是一个简单孔径，如同在针孔相机中一样。
在另一实施例中，中继系统包括至少一个透镜。该透镜可以由胶合在一起的多部分光学材料制成，如双合透镜。
在一个实施例中，初级反射器的顶点和中继系统的入射光瞳之间的距离基本上遵循下列方程：d2=2R2-k2|1+k2|+R11+-k1-2R1-k1|1+k1|.----(4)]]>
在一个实施例中，图象传感器是电子仪器，如电荷耦合器件(CCD)，或互补型金属氧化物半导体传感器(CMOS)，并提供一个代表投影到图象传感器上的图象的电子信号。此图象信号被数字化并转递给图象存储装置。然后可以把数字化的图象传递给图象处理装置。在另一实施例中，数字化信号直接传递给图象处理装置，不用中间的存储装置。在另一实施例中，图象传感器是照相胶片，图象可以依次数字化并把最终的信号传递给图象处理装置。采用图象处理装置能够有利地观察超广角景物的任何部分。
本发明的另一方面是一个两反射镜系统，该系统基本很大程度上消除了发生在全景光学系统中的象差，使得能够产生高质量的光学图象，该系统包括：
a.一个构成第一反射镜的初级反射器，和
b.一个构成第二反射镜的次级反射器，其形状和大小与初级反射器的形状和大小严格地匹配。
为了减小光学系统中的场曲率，系统的珀兹伐(Petzval)曲率必需接近零。这样校正第三阶场曲率，更高阶的场曲率可以通过优化光学元件的光学放大率得以校正。这产生一个具有最高图象质量的衍射受限系统。
本发明的另一方面是一个两反射镜子系统，该子系统大大降低了商业上超广角全景成象装置的制造成本，并提高了通用性，该子系统包括：
a.一个构成第一反射镜的初级反射器，和
b.一个构成第二反射镜的次级反射器，两反射镜的形状和大小接近，从而减小了两反射镜子系统导致的场曲率。
已知在具有场曲率的系统中，需要非平凡阵列的透镜补偿场曲率的负效应，此阵列增大系统的成本。另外，场曲率校正透镜或场置平器插在图象传感器附近，降低了该系统与标准的、现成元件的通用性。
本发明的另一方面是一个全景成象装置，该装置感测来自单参考视点的超广角景物。在一个实施例中，参考视点是半径不大于4mm的球面中的点。
本发明还提供一种感测超广角景物的象的方法，在本发明的一个实施例中，包括下列步骤：
a)把超广角视场的象反射到初级反射器(如上所述)上，使得单视点基本上与形成初级反射器的锥面部分的近焦点重合，
b)把步骤(a)中反射的象反射到次级反射器(如上所述)上，使得被次级反射器反射的光线穿过初级反射器上的孔，
c)经中继系统传播来自步骤(b)的光线，和
d)感测在步骤(c)中通过中继系统传播的光线。
在成象方法的另一实施例中，本发明还包括步骤：
1.提供一个代表投影到图象传感器上的图象的图象信号，
2.把图象信号转换成图象数据，把图象数据映射到卡笛尔坐标系中，和
3.插入图象数据并由映射的图象数据和插入的图象数据形成数字图象。
本发明的另一方面是一个两反射镜全景系统，该系统基本上是可缩放的，所以元件的大小以及它们的相对位置都可以缩放而没有严重的图象质量损耗。4.附图简介
图1是初级双曲面反射镜、次级椭圆反射镜、针孔中继透镜和200°视场的第一实例布局断面图；
图2是图1布局的视场曲率(图2a)和畸变曲线(图2b)；
图3是图1布局的调制变换函数曲线；
图4是初级双曲面反射镜的第二实例布局断面图；
图5是图4布局的视场曲率(图5a)和畸变曲线(图5b)；
图6是图4布局的调制变换函数曲线；
图7是初级双曲面反射镜、次级球面反射镜、针孔中继透镜和220°视场的第三实例布局断面图；
图8是图7布局的视场曲率(图8a)和畸变曲线(图8b)；
图9是图7布局的调制变换函数曲线；
图10是初级双曲面反射镜、次级椭圆反射镜、针孔中继透镜和260°视场的第四实例布局断面图；
图11是图10布局的视场曲率(图11a)和畸变曲线(图11b)；
图12是图10布局的调制变换函数曲线；
图13是具有双高斯中继物镜的第五实例布局断面图；
图14是由一个单块光学材料制成的光学-机械设备的第六实例布局断面图；
图15是使用保护性透明圆顶的光学-机械设备的第七实例布局断面图；
图16是根据本发明的共焦两反射镜系统的主要光线的光路断面图，其中初级反射镜是双曲面，次级反射镜是椭圆面；
图17是小型耐用全景相机(Miniaturized Ruggedized Paracamera)的光学线路图；
图18是具有光线示踪的小型耐用全景相机(MiniaturizedRuggedized Paracamera)的断面图；
图19是具有凹槽、上下针孔以防止重影和环境光的小型耐用全景相机(Miniaturized Ruggedized Paracamera)的断面图；
图20表示根据本发明的一个实施例，其中有两个反射镜系统，包括双曲面截顶的初级反射器和球面次级反射器；
图21表示根据本发明的一个实施例，它具有一个初级截
图22表示一个具有截顶的初级反射器和球面的次级反射器的实施例，其中截顶的初级反射器是旋转体的高阶椭圆面。5.优选实施例的详细描述
本发明提供了一种用于感测超广角视场的全景成象装置。该装置包括：(a)一对反射器，包括(i)一个具有第一形状和第一尺寸的初级反射器，该反射器能够提供超广角景物的第一反射，和(ii)具有第二形状和第二尺寸的次级反射器，放置成接收第一反射，以便在第一位置提供第二反射，初级和次级反射器的形状和尺寸以及它们各自的位置使得在第一位置提供的第二反射基本上没有视场曲率效应和象散效应；(b)一个中继系统，包括能够把第二反射重新置于第二位置、从而提供一个重新定位的反射的光学装置；和(c)一个放置成接收重新定位在第二位置的反射的图象传感器，其中全景成象装置捕获来自基本上单参考视点的超广角景物。
在本发明的一个具体实施例中，全景成象装置配置一个中继系统，该系统包括一些光学装置，它们能够基本上滤除来自直接被第一反射器反射的入射光线中不是直接被次级反射器反射的光线。另外，在一个实施例中，第二反射基本上是平面的和无象散的。在一个优选实施例中，初级反射器是凸面的，次级反射器是凹面的。优选初级反射器基本上是双曲面，次级反射器基本上是椭圆面。
因而，本发明的另一实施例包括一个用于感测超广角视场的全景成象装置，包括：(a)一对反射器，包括(i)一个具有第一形状和第一尺寸的初级反射器，该反射器能够提供超广角景物的第一反射，和(ii)具有第二形状和第二尺寸的次级反射器，放置成接收第一反射，以便在第一位置提供第二反射，初级和次级反射器的形状和尺寸以及它们各自的位置使得在第一位置提供的第二反射基本上没有视场曲率效应和象散效应；(b)一个中继系统，放置成接收第二反射，该系统包括能够基本上滤除来自直接被第一反射器反射的入射光线中不是直接被次级反射器反射的光线，以便提供滤光后的反射；和(c)放置成接收滤光后的反射的图象传感器，其中全景成象装置捕获来自基本上单参考视点的超广角景物。另一个优选实施例配置一个中继系统，该中继系统包括能够把第一位置处的反射(任何反射，如第二反射或滤光后反射)重新定位的光学元件。
图象传感器可以包括任何适当的传感器，包括但不限于照相胶片、CCD图象传感器、CMOS图象传感器、摄像机等。另外，中继系统放置成初级反射器位于次级反射器和中继系统之间。中继系统可包括任何适当的中继器，包括但不限于针孔、至少一个透镜、至少一个反射镜等。
在本发明的优选实施例中，初级反射器包括一个基本上为双曲面的反射镜，该反射镜具有的一个面遵循下列以柱坐标表示的方程：r2＝2R1z-(1+k1)z2，这里z是沿光轴的坐标，r是半径坐标，R1是形成初级反射器的锥面顶点处的曲率半径，k1是初级反射器的锥面常数，次级反射器包括一个基本上为椭圆或球面的反射镜，该反射镜具有的一个面基本遵循下列以柱坐标表示的方程：r2＝2R2z-(1+k2)z2，这里z是沿光轴的坐标，r是半径坐标，R2是形成次级反射器的锥面顶点处的曲率半径，k2是次级反射器的锥面常数。另外，初级反射器有一个旋转轴线，包括一个在基本上垂直于旋转轴线的平面处截顶的反射镜，还有一个近焦点和一个远焦点。同样，次级反射器有一个旋转轴线，该轴线基本上与初级反射器的旋转轴线重合，包括一个在基本上垂直于次级反射器旋转轴线的平面处截顶的反射镜，并还有一个近焦点和一个远焦点。
本发明装置的结构可以做成使得次级反射器近焦点的位置基本上与初级反射器远焦点的位置重合，并且可选择地把中继系统沿初级反射器和次级反射器的旋转轴线放置。如果需要，图象传感器沿初级反射器和次级反射器的旋转轴线放置。装置还可包括一个透明的机械支撑物，它保持初级反射器、次级反射器、中继系统和图象传感器的相对位置。在一个具体的实施例中，图象传感器提供一个表示重新定位的反射的图象信号，并且装置还包括一个耦合到图象传感器的图象信号处理器，以便把图象信号转变成图象信号数据，并把图象信号数据映射到卡笛尔坐标系中。图象信号处理器还可包括一个插值器，用于提供插入的图象数据，使得插入的图象数据和图象信号合并成一个数字图象。
本发明的全景成象装置可配置初级和次级反射器，该反射器包括固态透明光学块的背反射镜面。
本发明还设计了一种对从基本上为单参考视点捕获的超广角视场提供基本上无象散反射的方法，包括：(a)提供一个初级反射器，产生超广角景物的第一反射，初级反射器具有一个近焦点和一个远焦点；(b)提供一个次级反射器，接收第一反射并产生第二反射，次级反射器具有一个近焦点和一个远焦点；(c)提供一个具有入射光瞳的中继系统，其中初级反射器、次级反射器和透镜放置成初级反射器的远焦点基本上与次级反射器的近焦点重合，中继系统的入射光瞳基本上与次级反射器的远焦点重合。在一个优选实施例中，第二反射的光线穿过初级反射器中的一个孔并基本上在初级反射器光轴上的一个点处相遇。更优选的方法还包括基本上滤除来自直接被第一反射器反射的入射光线中不是直接被次级反射器反射的光线，以便提供滤光后的反射。另一个优选的方法还包括经中继系统传播第二反射或滤波后的反射以产生一个重新定位的反射，并且还优选包括感测重新定位的反射。另外，本发明的优选方法利用一个初级反射器和一个次级反射器，两反射器的形状和尺寸产生基本上没有场曲率效应的第二反射。
本发明还设计了一种对从基本上为单参考视点捕获的超广角视场提供基本上为平面的无象散反射的方法，包括：(a)提供一个具有第一形状和第一尺寸的初级反射器，产生超广角景物的第一反射；和(b)提供一个具有第二形状和第二尺寸的次级反射器，接收第一反射并产生第二反射，其中初级和次级反射器的形状和大小以及它们各自的位置使得产生的第二反射基本上为平面的和无象散的，并且，基本上从一个单参考视点捕获超广角视场。在一个具体实施例中，该方法还包括基本上滤除来自直接被第一反射器反射的入射光线中不是直接被次级反射器反射的光线，以便提供滤光后的反射。另外，该方法还包括把滤光后的反射接转到另一个位置以提供一个重新定位的反射，并再感测重新定位的反射。
通过参考下列对本发明装置的描述，本领域的技术人员将会理解本发明的旨意。下面提供的实施例将举例说明本发明的装置如何制造和使用。
不同实施例中相应的元件用相同的标号。
图16是根据本发明的共焦两反射镜系统的主要光线的光路断面图，其中初级反射镜是双曲面，次级反射镜是椭圆面。来自虚拟入射光瞳方向(与初级双曲面反射镜C1的近焦点F1重合)的景物的主要光线I1照射到初级反射镜C1，并沿I2被远几何焦点F’1方向的双曲面反射镜反射，与光轴在F’1相交。虚拟入射光瞳的实中间图象形成在此点。
然后，反射光线I2照射到次级椭圆反射镜C2。因为次级反射镜的近几何焦点F2与F’1重合，所以光线I2在远几何焦点F’2方向沿I3被椭圆反射镜反射，穿过反射镜C1中的孔。在椭圆反射镜反射后即形成物空间的中间实象。注意到，对于光瞳的中间实象和对于物的中间实象位于不同的光学空间：前者位于两反射镜之间的空间，后者位于第二反射镜和中继透镜R1之间的空间。
中继物镜R1的入射光瞳位于椭圆反射镜F’2的远焦点，在图16中的状态示为一个实光阑。中继物镜在平面的二维传感器表面I上形成景物的最后的象。象是一个在中心有一个小黑圈的环：是由于次级反射镜C2导致的物空间的渐晕以及第一反射镜C1中的孔的结果。
图中各种角度之间的关系为：tanβ=(1+k1)sinθ2-k1+(1-k1)cosθ,----(5)]]>和tanα=(1+k2)sinβ2-k2+(1-k2)cosβ.----(6)]]>
方程(5)和(6)给出：tanα=(1+kc)sinθ2-kc+(1-kc)cosθ----(7)]]>kc=-(-k1+-k21+-k1-k2)2orkc=-(1+-k1-k2-k1+-k2)2.----(8)]]>6.例子6.1例1
图1表示根据本发明的全景成象装置的第一实施例。凸双曲面反射器C1在顶点具有25.658mm的曲率半径，并且锥面常数k1＝-3.6205。凹椭圆反射器C2在顶点具有32.150mm的曲率半径，并且锥面常数k2＝-0.2398，与C1反射镜相距50mm。焦距为7mm的针孔相机位于C1反射镜的右手端，与顶点相距13mm，充当微投影透镜的角色。象平面I与针孔透镜相距8.43mm。全景成象装置覆盖200度的垂直视场和360度的水平视场。F数为2.5，焦距为-0.9mm。来自全景景物的光束的主要光线进入双曲面反射镜C1的近实几何焦点(图1中未示出)，照射到反射面，并被C1反射，穿过双曲面反射镜C1的远几何焦点。凹椭圆反射器C2定位成它的近几何焦点F2与F’1重合。椭圆面反射镜C2接收C1的反射光并将其反射回初级反射器的孔中，使得所有的初级光线穿过其远焦点F’2，与针孔透镜H1的孔径R重合，滤除没有穿过F’2的光线。图象传感器I放置在孔径的后面，感测景物的象。
图2(a)是该例的两反射镜系统的场曲率曲线。如此图所示，该系统有一基本平面的全景成象视场。总的不平度小于10μm。采用锥面常数和两个反射镜的曲率半径优化了光学系统，以校正高阶场曲率。另外，该图表明，弧矢和切向的场曲率(由图中的8和7表示)两者互相影响。这表明该系统除了对于整个成象系统基本为单参考视点外，还没有象散。
图2(b)是成象系统中的畸变曲线。在此情况下，我们认为它是一个特定的图象压缩，可以通过计算机软件恰当地解压。
图3是两反射镜成象系统的调制变换函数(MTF)曲线，与用于多色光的衍射受限系统做比较。从曲线中可以看出
此实施例以及在此描述的其它实施例举例说明了本发明的两个关键特征：基本上是袖珍的/单参考视点和整个视场上基本上为平面的并且完全无象散的象。
虽然这里的描述是关于可见光，但可以理解，本发明对于电磁辐射的其它形式如紫外光或红外光有相同的应用，所附的权利要求包括利用这些形式的光以及可见光工作的装置。6.2.例2
图4是根据本发明全景成象装置的第二实施例。凸双曲面反射器C1放置成反射200度视场的象。由C1反射的景物的主要光线被次级反射器C2拾取，其中次级反射器C2是一个截顶的球面。C2的反射遵循高斯光学定律，F2和F’2是反射器C2的两个共轭焦点。通过F2的光线被C2反射，穿过F’2。在此实施例中，F2基本上与C1的远焦点F’1重合。当两个焦点不是精确重合时，系统中的决定因素是C2的反射律。在这种布局中，成象系统将没有一个精确的单参考视点。相反，视点在一个面上传播，该面被认做反射的焦散面。对于位于H1和F’1之间的位置F2，焦散面基本上是一个袖珍面，整个系统的视点以感测的象的畸变最小地接近F1。同样，R是针孔孔径，滤除基本上不属于传感图象的光线，I是图象传感器，如CCD，CMOS，胶片或其它适于与本发明的光学装置一起使用的传感装置。针孔相机的焦距是6mm，后焦距是7.8mm，与反射镜C1顶点的距离为10mm。图象圆圈的直径是4mm，系统的F数是2.5，焦距是1.2mm。
图5(a)是两反射镜成象系统的视场曲率曲线。从曲线中可以看出，两反射镜系统具有一个基本上平坦的视场曲率，非平坦度不大于6微米。另外，系统显示出的象散不大于2微米。光瞳中的球差非常小，因此，整个系统的视点基本上是密集的，可以近似为一个点，没有任何质量损失。
图5(b)是两反射镜系统的压缩曲线。
图6是两反射镜成象系统的调制变换函数(MTF)的曲线，作为与用于多色光的衍射受限系统的比较。从曲线中可以看出，表示两反射镜系统的光学质量接近理想。在40％的对比度下，系统的分辨率为4001p/mm(每毫米的线条对)。6.3.例3
图7是本发明的第三实施例，其中初级反射器为双曲面形状，次级反射器为球面，因此是椭球形。此系统的视场在垂直平面上为220度，F数为2.8，焦距为-0.95mm，象的直径为3.6，适合于三分之一英寸(0.85cm)的CCD。微投影中继透镜具有6.25mm的焦距，8.245mm的后焦距，并且距离C1的顶点9mm。同样，如同前面的布局，次级反射器的位置位于初级反射器的远焦点和初级反射器的顶点之间。在此布局中，从图8(a)的视场曲率的弧矢和正切曲线中可以看出，光瞳中的球差最小。曲线S和T彼此紧跟，表示视点的密集焦散。图8(b)表示系统的畸变曲线。图9是系统的MTF曲线，表示该系统紧跟着一个衍射受限的系统，是光学系统的物理限度。第一反射镜直径小于约5cm。如同第二实例的情形，此例的装置适合于商业机器人，并且适于机械观察应用。6.4.例4
图10、11(a)、11(b)和12举例说明与图1中的第一实施例类似的第四实施例。初级和次级反射镜还分别是凸双曲面和凹椭圆面，并且在顶点处有几乎相等的曲率半径。系统在垂直平面上的视场是260度，焦距为-0.6mm，F数是2.8，图象直径是3.6mm。中继焦距是10.25mm，后焦距长为13.2mm。图象质量(在40％对比度下为3001p/mm)可以与第二和第三例相比拟。从图11(a)中可以看到象散和视场曲率得到很高水平的校正。象的平坦度处于约4～5微米的范围。此类图象质量的校正不用为两反射镜插入高阶非球面即可实现。另一方面，第一双曲面反射镜的直径约为135.5mm，即约为第一和第二例的三倍。6.5.例5
图13表示第五实施例，其中中继物件在此是双高斯型透镜，由标号5表示。其余的配置与图1中的类似，初级反射镜是双曲面形状，次级反射器是椭圆形状，两个锥面严格共焦。另外，在此布局中，视点的焦散线基本上是一个单视点，因而该系统具有一个单参考视点。6.6.例6
图14表示第六实施例，示出了一个关于两反射器的可能的光学—机械配置。在此配置中，两个反射器由相同的透明塑料材料块如丙烯酸树脂制成。初级反射器由2表示，通过把材料块的一个面的形状做成旋转双曲面的形状而形成。材料块的外表面涂敷一层适合的反射材料，把面2变成起着类似一个双曲背反射器的作用。面3的形状做成一个旋转椭球面或球面，如同上述每一种配置，并在外部涂敷适当的反射材料以形成一个背反射器。块的长度遵循上述方程，并取决于反射器的具体布置情况。面2的适当的中心部分4留着不涂敷，以便用作一个折射面，与双曲面2有相同的形状。面1是透明的，使得光线能够进入成象系统。另外，可选择性地把面4适当地做成起透明块的折射作用的形状，因此，面4的形状一般与面2的形状不同。保持整个系统单视点的最好办法是把两个折射面1和4都做成球面，主要光线的正入射进入和离开系统。与此同时，它们的曲率半径将有具体的值，在整个系统的工作波长范围内不导致色差。6.7.例7
图15表示关于两反射镜系统的光学—机械配置。次级反射镜通过一个连接着柱体4的由适当材料制成的透明圆顶1保持在适当的位置。次级反射器安置在此柱状连结物上。涂敷面4以防止光线进入柱状连结物。圆顶的形状和柱状连结物的形状确定成与系统的光学配置相匹配。6.8.例8
图17、18和19表示两反射镜系统集成在一个光学块上的实施例。两反射镜是用于提供良好的环境保护的背反射器。关于光学块中四个面的特点，第一个和最后一个是折射面，使得主要光线在正入射下穿过表面。在这些表面经过表面的消色差处理。两个折射面最好具有宽带多层涂层以增大对比度，并防止探测器表面上的重影。
为避免重影、环境光和提高图象对比度，从两个反射面插入两个销钉(a)，并在中间实象位置插入一个沟槽(b)(示于图19中)。注意到，这些销钉实际上可以包括钻透实心光学块的孔，并且被涂敷或镀面，从而不透明。类似地，把沟槽机械加工在光学块上。
中继系统位于反射镜块的第二反射面之后，在平面的传感器上投影实象(示于图17和18中)。中继系统既可以是一个具有适当焦距的标准照相机透镜，也可以是优选的特定设计的微投影透镜，以便得到一个强大的高分辨系统。6.9.例9
图20表示一个类似于第三实施例的实施例，其中两反射镜系统包括一个初级双曲面截顶反射器和一个次级球面反射器。两个反射器的形状不同于第三实施例的情况。如同在第三例中一样，系统的视场在垂直平面内为220度，但象的直径为20mm，几乎是第三实例的六倍。焦距为-5.5m，F数为4，中继透镜焦距是28mm，背焦距是42.15mm。两反射镜系统安装成与单镜头反射式或数字照相机连结，从而提供是第三例的约五倍的分辨率。6.10.例10
图21表示一个类似于第九实施例的实施例。主要不同在于初级反射器是十四阶旋转双曲面。6.11.例11
图22表示一个类似于第十实施例的实施例。主要不同在于初级反射器是十四阶旋转椭圆面。
相应地，本发明还包括一种设计全景成象装置的方法。全景系统或全景装置的设计方法的商业目的是确定一个系统的光学和组装参数，将提供一般性的规格特征和适当的光学图象质量。
我们发现了一种设计超广角全景成象装置的新的特有的方法，该超广角全景成象装置具有360度水平视场和高达260度的垂直视场。装置包括至少四个元件：两反射镜子系统，一个中继系统和一个图象传感器。该方法基于三个公知的知识描述：解析几何，涉及锥面曲线的光学系统和这些曲线产生的旋转面。从解析几何中知道它们焦点的具体特点。利用锥面作为反射器，我们有两个无象差共轭点，即它们的几何焦点。这意味着两个焦点是完全的共轭点。来自一个焦点的所有光线被表面反射后通过另一个焦点。因为两个点位于光轴上，所以完全不存在球差。合并两个锥面反射面将保持这一特征。把光学系统的入射光瞳和出射光瞳放置在这两点将在整个系统中产生一个单视点。我们可以通过把实光阑放在一个几何焦点或通过Nayar的美国专利US5,760,826中那样的光学投影照相机透镜的实物孔径来实现。
第二个几何学已知知识告诉我们，如果把光瞳放在几何焦点(M.M.Rusinov，Technical Optics，Mashinostroenie，Leningrad，1979，P.250)，则对任何物体位置产生整个视场的无象散图象。这允许使用抛物面反射镜、中继透镜和标准相机透镜来构造具有单视点的无象散全景成象装置。这样的装置在Nayar的美国专利5,760,826中作了说明。但该专利公开的装置有一个缺点：抛物面反射镜导致了图象的视场曲率。
按照光学系统理论，要使象平面平坦，我们必须校正光学系统中的珀兹伐曲率，即使珀兹伐曲率之和为零。例如，在两反射镜系统中，我们只需要使用曲率半径相等的凹反射镜和凸反射镜(VirendaN.Mahajan，Optical Imaging and Aberrations，SPIE Press，1998，P.375)。这样将提供三阶近似的图象曲率校正，即接近光轴的近似。在超广角系统中，只校正珀兹伐曲率不足以使象平面平坦，因为存在高阶视场曲率。
毋庸赘述，本发明已经发现可以提供景物的“自校正”反射，在超广角系统中基本上没有主要的光学象差(即象散效应和视场曲率；当然还有其它的光学象差，如慧差和色差效应，但这些效应是次要的)，在两反射镜子系统中利用反射镜(或反射器)的光学放大率，它们的锥面常数和它们之间的距离。我们还开发了一种设计高质量超广角全景成象系统的特有方法，超广角全景成象系统具有360度的水平视场和高达280度的垂直视场。另外，在本发明中通过采用共焦配置大大地消除了球面效应，也提供了一个大致的单参考视点。
在此方法中有两个基本步骤：1)解析计算初始变量参数，2)利用光学设计程序优化初始变量。如果第二步骤的输出还有一些未达到要求，则根据需要多次重复第一步骤，直到达到理想的图象质量。应该知道，某些光学设计软件如CODE V，ZEMAX，OSLO或其它商业程序可以用到第二步骤上。
为了计算初始参数，解出解析算式并对其编程。
一般地，本发明的成象装置包括四个元件：两个反射器或反射镜，一个中继系统和一个传感器。作为一个具体的例子，我们采用CCD作为传感器，照相机透镜作为中继系统。要开始我们的计算，应提前确定总的技术规格特性。它们是CCD的尺寸，照相机透镜的焦距和在垂直物空间平面中的视场。我们在程序中插入CCD平面边缘上的象圆周的半径。它等于CCD的半垂直尺寸，F’c1是照相机焦距，β1是物空间的视场半角。另外，我们必须引入照相机透镜相对于第一反射镜顶点d21的位置。更精确地说，它是第一反射镜顶点和照相机透镜入射光瞳(正数)之间的距离，以及在第一和第二反射镜顶点的曲率半角(两个曲率半径为正，并且对于视场曲率校正，一级近似彼此近似相等)。众所周知，如果两反射镜系统中的两个曲率半角彼此相等，则视场曲率的三阶近似等于零(即围绕光轴或适中的视角)，它们中的一个是凸面，另一个是凹面。第一反射镜的曲率半角扮演标定因数的角色，因此实际上必须只插入两个组装数据d21sc和R2sc。最后一个数是照相机透镜的线性放大率。它是一个叠代参数，因为不能事先知道它。可以把它的一级近似置为零，如同照相机透镜工作于无限远。
结果，通过旋转锥面的不同组合可以得到四个解。一个解是利用一个第一双曲面反射镜和一个第二椭圆面反射镜。如前所述，如果发现初始解由于某种原因而不能令人满意，则可以重复计算，例如改变反射镜的曲率半径和照相机透镜的位置。
为了得到最终的系统参数，必须进行初始变量的计算机优化，这对于本领域的技术人员只是一个简单的技术过程。
结果，我们可以开发出不同种类的超广角全景成象装置(图1-22)，在整个视场上基本上完全校正视场曲率(图2A)。在例四(图10)中，我们甚至有更高水平的视场曲率校正，在系统中只产生极小量的象散(小于5微米，图11A)。正切曲线有三个零，非平滑度为1微米。弧矢曲线有两个零，非平滑度小于5微米。
当想获得所有实例的珀兹伐曲率时，获得的所有值都不是零。此结果确认这样的事实，即在超广角系统中不能充分校正珀兹伐曲率以获得象平面的平坦度。相反，必须设置、计算和/或优化初级和次级反射器的形状和尺寸，从而获得超广角系统基本上没有严重的光学象差的反射。
本发明并不局限于在此描述的实例和实施例的范围，它们只是本发明一个方面的举例说明，所有功能等同都处于本发明的范围之内。相反，除在此展示和描述的之外，本发明的各种改型对于本领域的技术人员都是显而易见的。这些改型都落在本发明的范围之内。在此提到的所有专利和公开物都引为参考。