CN1957282B - 集成的全景和前向光学装置、系统以及全向信号处理方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种集成了前向和全景场的装置、系统及方法，包括：初级反射器，该初级反射器包括关于前向场的凸面，在凸面的至少一部分上发生反射；次级反射器，相对于前向场来说，该次级反射器位于初级反射器的前方，在其面对后面的表面的至少一部分上朝向所述初级反射器发生反射；在初级反射器中的初级反射器孔，该孔基本上以装置的光轴为中心；以及在次级反射器中的次级反射器孔，该孔基本上以光轴中心。

Description

集成的全景和前向光学装置、系统以及全向信号处理方法

发明领域

本发明涉及一种全向光学系统的领域。该光学系统由无缝地集成在单一平面上的全景和前向两条路径组成。全部视场由前向视场和全景视场组成。

技术背景

有许多提供全向成像的光学系统的现有技术。本发明具有一些独特的特性，其不被任何现有技术所包含，并且总体上说为成像系统和全向光学元件提供独特的新能力。Jeffrey Charles具有几个关于该主题的美国专利，包括US6333826和US6449103，BeHere Corporation具有几个美国专利，包括US6392687、US6424377和US6480229，以及Remote Reality具有的美国专利6611282。

Jeffrey Charles的专利只集中在全景视场，并致力于使用于近场应用的视场最大化。Charles的专利包括通过利用超环(torroidal)形反射器接近远场逐渐变细的大约60度的前面排除区域。虽然该排除区域最终消失成为全景区域边界会合的一个点，但是这对于越过在图像的处理或判读中所会聚的点的重叠区域的专利是没有任何用的。包含前向光学器件以对该前面排除区域成像的较少公开没有提到如何去匹配结合的图像的放大率或相对F/#的细节。也不存在判读或处理重叠图像的手段。仅包括的前向取景镜头并不能自动地使其得到容易地可判读的图像。该光学系统的焦点位于重叠之前的近场。虽然这里提供包括前向取景光学器件来对前方排除区域成像，但是这也仅是其中前方区域和全景区域不存在间隙或不存在重叠的一个点(或一个径向距离)。

BeHere技术同样集中在全景视场上并只通过改变反射器的形状尽可能地将全景尽可能远地延伸。通过在抛物面反射器的顶点放置凹坑(dimple)，可在远场内实现超越次级反射器的成像。这些发明没有提供用于在近场进行前向成像的手段。

Remote Reality的发明是利用两个反射器构造声称达到260°垂直视场的超宽角度全景成像装置。该发明包括沿着光轴未定义的盲点。虽然具有大致平坦和消像散的像平面，但是该发明要求单个观察点。

下面是上述每个专利的一些主要细节。

Jeffrey R.Charles的US6333826：Omniramic Optical SystemHaving Central Coverage Means Which Is Associated With a Camera，Projector or Similar Article

·一个或两个反射器实施例

·两个反射器实施例产生前方排除区域～60度

·产生环形图像

·利用超环形初级反射器以使得前方排除区域的最小化

·实现具有三角形前方排除区域、超越点、环形图像中的重叠的远场成像

·说明书中的公开(第26列，第57行-第27列，第9行)只在次级反射镜透明区域前面使用附加透镜来对大于或等于前方排除区域的区域成像，以产生同心图像

·重叠图像以产生3D信息

·焦点：环形图像边缘的最大化，前方排除区域的最小化，远场成像，区域的重叠以产生3-D图像信息

Jeffrey R.Charles的US6449103：Solid Catadioptric OmnidirectionalOptical System Having Central Coverage Means Which is Associatedwith a Camera，Projector，Medical Instrument or Similar Article

·具有初级和次级内反射器和作为凸折射面的外表面的固体光学基底

·初级反射器的形状和外折射面的结合允许对所述光学系统前方的有限距离的点成像-从而只允许远场成像-但是同样受到那个有限点之外的图像重叠

·可能是非常难以至是不可能制造的凸起折射面的目的是延伸全景视场的边缘

·权利要求31-36涉及具有初级和次级内反射器的固体光学基底，其中次级反射器具有带有凹表面或透镜的透明中心区域，以对中心排除区域成像

BeHere Corp.的US6392687：Method and Apparatus forImplementing a Panoptic Camera System

·两个反射器的设计

·由在顶点具有凹坑的抛物面形状组成的主反射器，使得该主反射器可以采集来自第二反射器后面的光线

·描述两个在一起的照相机以看见整个球面和立体视觉展示全景的照相机

·类似于Charle的专利，仍然保留了一个刚刚超出次级反射器的不可见区域

BeHere Corp.的US6424377：Panoramic Camera

·单个反射器设计-反射镜为抛物面圆锥形

·包括成像照相机、像散校正透镜、场整平透镜和物镜

·在同一平面上形成镶嵌图案的多个传感器以实现所需要的分辨率

·替换的实施例的2个反射器设计-容纳在抛物面反射镜内的照相机

·替换的实施例的单个或2个反射器设计，而抛物面反射器是具有折射性能的透明材料的弯曲块的内表面

·包括转换到直角坐标的环形图像显示技术

·要求用于采集全景图像的装置

·要求具有抛物面的第一反射器和与反射镜上的入射角线性地成比例的光采集的装置

BeHere Corporation的US6480229：Panoramic Camera

·结合有分束器的单个反射器凸起的反射镜以发送环形图像到两个不同的电子图像采集设备

·替换的实施例2个反射器设计-容纳在抛物面反射镜内的照相机，替换的实施例的单个和2个反射器设计，而抛物面反射器是具有折射性能的透明材料的弯曲块的内表面

·包括转换到直角坐标的环形图像显示技术

Remote Reality的US6611282：Super Wide-Angle PanoramicImaging Apparatus

·两个反射器构造，初级反射器是双曲面而次级反射器是凹面

·实现达到260°垂直视场，该视场包括沿着光轴直接位于次级反射器后面的未定义的盲点

·要求图像是没有场曲效应和像散效应的

·次级反射器是椭球体或球面反射器

·替换的实施例包括容纳在固体光学块内的反射元件

·图像可映射到笛卡尔坐标系统内

其他限定本领域的一般状态而不是特别相关的现有技术包括：Wasson等人的US6621516Panoramic Pipe Inspector；Geng的US6744569Method and Apparatus for Omnidirectional 3-D Imaging；Garcia的US6789908Confocal Ellipsoidal Mirror System for Wide Fieldof View Imaging；Luken等人的US6791598Methods and Apparatus forInformation Capture and Stereoscopic Display of Panoramic Images；Kumata等人的US6793356an Omnidirectional Vision Sensor；Gao等人的US6809887an Apparatus and Method for AcquiringUniform-Resolution Panoramic Images；以及Mojaver等人的US6833843a Panoramic Imaging and Display System With CanonicalMagnifier。

发明内容

这里公开的用于全向信号处理的装置、系统和方法的目的是提供一种集成的全景/前向观看的成像系统，该成像系统将共面全向图像传送到图像显示和/或记录装置。本发明由两条结合在单个像平面上的光路系统组成。这种设备、系统和方法实现了前向图像和全景图像之间匹配的放大倍率，相对无缝的不具有重叠或盲点的边界，以及近似270度垂直(前向)大约整个360度圆周的全视场。本发明可以用于作为杆上安装或地面安装系统或在独立单元中实施的监视应用。该光学系统可被小型化以实施成内窥镜和管道镜，或可替换地被放大以实施成管检查或其他大规模检查。本发明的可替换的非成像实施例可用于作为全向光学天线的光学自由空间通信。

特别地，根据本发明的一方面，提供了一种无缝地集成了前向和全景场的装置，用于对近场和远场成像实现连续宽视场，该装置包括：初级反射器，其包括与所述前向场相关的凸面，在所述凸面的至少一部分上反射；次级反射器，相对于所述前向场位于所述初级反射器的前方，在其面对后面的表面的至少一部分上向所述初级反射器反射，包括面对后面朝向所述初级反射器的基本上平的几何结构；在所述初级反射器中的初级反射器孔，其基本上以所述装置的光轴为中心；在所述次级反射器中的次级反射器孔，其基本上以所述光轴为中心；以及选择所述次级反射器孔和所述初级反射器孔所包括的直径，以使得通过考虑所述初级反射器的几何形状、所述次级反射器的几何形状、沿所述光轴所述初级反射器和所述次级反射器的彼此间隔、以及所述前向和全景场之间限定的边界位置来实现对于近场和远场成像的连续宽视场，其中，所述前向场能够延伸到竖直最大270度，且所述全景场能够延伸到全景最大360度，其中，通过使用仅一个所述初级反射器和仅一个所述次级反射器来形成所述前向场和所述全景场，其中，所述前向场和所述全景场的边界无重叠和间隙地相匹配。

根据本发明的另一方面，提供了一种以无缝地合成前向和全景场来接收信号的方法，其用于对近场和远场成像实现连续宽视场，该方法包括：提供初级反射器，其包括相对于前向场的凸面，在所述凸面的至少一部分上发生反射；使得次级反射器的基本上平的几何结构相对于所述前向场而言位于所述初级反射器之前，在其表面的至少一部分上向后朝向所述初级反射器反射；在所述初级反射器中基本上以所述初级反射器和所述次级反射器的光轴为中心设置初级反射器孔；以及在所述次级反射器中基本上以所述光轴为中心设置次级反射器孔；其中，选择所述次级反射器孔和所述初级反射器孔，以使得通过考虑所述初级反射器的几何形状、所述次级反射器的几何形状、沿所述光轴所述初级反射器和所述次级反射器的彼此间距、以及所述前向和全景场之间限定的边界位置来实现对于近场和远场成像的连续宽视场；其中，所述前向场能够延伸到竖直最大270度，且所述全景场能够延伸到全景最大360度，其中，通过使用仅一个所述初级反射器和仅一个所述次级反射器来形成所述前向场和所述全景场，其中，所述前向场和所述全景场的边界无重叠和间隙地相匹配。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造无缝地合成前向和全景场的装置的方法，所述装置用于对近场和远场成像实现连续宽视场，该方法包括：提供初级反射器，其包括相对于前向视场的凸面，在所述凸面的至少一部分上发生反射；使得次级反射器相对于所述前向场而言位于所述初级反射器前面，在其表面的至少一部分上向后朝向所述初级反射器发生反射并包括面对后面朝向所述初级反射器的基本上平的几何结构；在所述初级反射器中基本上以所述装置的光轴为中心设置初级反射器孔；在所述次级反射器中基本上以所述光轴为中心设置次级反射器孔；以及选择所述次级反射器孔和所述初级反射器孔的直径，以使得通过考虑所述初级反射器的几何形状、所述次级反射器的几何形状、沿所述光轴所述初级反射器和所述次级反射器的彼此间隔、以及所述前向和全景场之间限定的边界位置来实现对于近场和远场成像的连续宽视场；其中，所述前向场能够延伸到竖直最大270度，且所述全景场能够延伸到全景最大360度，其中，通过使用仅一个所述初级反射器和仅一个所述次级反射器来形成所述前向场和所述全景场，其中，所述前向场和所述全景场的边界无重叠和间隙地相匹配。

附图简述

本发明的确信为新的特征将在附加的权利要求中陈述。然而，通过参考下面的描述结合以下主要附图，本发明连同其他目的以及它们的优点将可以被最好地理解。

图1是本发明优选实施例的光学系统的二维平面图；

图2示出了在所述优选实施例中的光学系统的全景部件的光线跟踪的二维示意图；

图3是利用本发明可得到的视场的示意图；

图4描绘了采集到的图像在像平面上的投影；

图5是作为用于非成像应用的远焦光学系统的本发明替换实施例的二维示意图，光线跟踪类似于发生在成像实施例中的光线跟踪；

图6是包括方向变焦能力的替换实施例的二维示意图。

发明详述

目的和应用

这里所公开的装置、系统和方法被配置成实现尽可能宽的视场，包括后视能力同时具有最小化的畸变。其不依赖于摇摄全景和俯仰拍摄机构。现有的宽视场、非移动光学系统典型地由鱼眼光学系统组成。鱼眼光学系统的畸变过大以致于它们不适于很多成像应用。畸变是由于越过整个视场的光线的不均匀的折射产生的。由于光学系统的几何结构用于使得视场最大化，所以视场边界通常呈现出远大于视场中心区域的畸变。在替换的全景成像光学系统中的优点提供对周边成像的手段，但通常也不是成像器前方的整个半球。存在提供周边成像的单个和双重反射器光学系统，但是缺少前向成像。摇摄全景(pan)和俯仰拍摄(tilt)的光学系统提供覆盖相同视场的手段，但是需要机械运动并且不能在像平面的单个实例中提供整个视场区域。对于许多应用，缺少整个视场的恒定取景或者需要机械运动是不能接受的。这个公开具有包括但不限于监视、安全监控、工业检查和医学内窥镜检查的应用。

光学系统

将参考附图1和2描述这里公开的基本构造。图1示出了全向光学系统100的布置而图2示出了通过该系统的光路。该全向光学系统100包括初级反射器102，次级反射器104，前向成像透镜组106，聚焦透镜组108，像平面110，所有的都相对于所示的光轴112定位。图3中描述了通过全向光学系统100成像的视场。全向光学系统100的总视场包括被全景视场320所无缝限定的前向视场318，该全景视场320可以包括显著的背面角度视场322。

如所描绘的，初级反射器102包括相对于前向场的凸表面，如通过102的前方边缘上的实弧线所示的在所述凸表面的至少部分上发生反射。如所描绘的，相对于前向场，次级反射器104位于初级反射器的前方，在其面对后面的表面的至少一部分上对朝向所述初级反射器发生反射，如通过104的后部边缘上的实线所示。如所描绘的，前向成像透镜组106包括至少一个场聚集元件(例如，透镜)，相对于前向场，该收集元件位于次级反射器104的前方并大致以光轴112为中心。同样，如所描绘的，聚焦透镜组108包括至少一个场聚焦元件(即透镜)，相对于前向场，该聚焦元件位于初级反射器102的后方并大致以光轴112为中心。

在优选实施例中，初级反射器102具有大致球面的几何结构，具有穿过以光轴112为中心的中心顶点的初级反射器孔114。初级反射器102的几何结构(曲率半径)和初级反射器孔114的直径都用于控制光学系统100的全部整个视场并同样能实现前向视场318和全景视场320之间的整个视场的平衡。例如，并非是限制性的，孔直径与反射球形表面的比例大约为1∶4.2，尽管该比例可根据特殊需要的应用而不同。本实施例中初级反射器102的曲率半径是20.102mm，但是，同样，该半径可以根据应用而不同。初级反射器102的球形几何结构首先需要简单的制造和低的生产成本。

当需要特殊应用时，更难于制造的诸如抛物面几何结构的更复杂的几何结构可被作为替换而结合。替换的实施例包括具有这种替换的凸起几何结构的初级反射器102，仍然包括沿着光轴112的初级反射器孔114。在这种替换的实施例中，初级反射器102是能形成中心全景反射折射图像的凸双曲线或凸抛物线反射器。聚焦透镜组108导致的最小畸变可由来自抛物线或双曲线的初级反射器102的校正弯曲光焦度(correct bending power)来补偿。这种替换实施例消除了当将易于制造的球形几何结构用于初级反射器102时存在的最小畸变像差。

在优选实施例中，次级反射器104具有大致平坦或平面的几何结构，具有以光轴112为中心的次级反射器孔116。如所说明的，次级反射器104相对于前向场(即，相对于像平面110)定位在初级反射器102的前方并大致沿着光轴112为中心。次级反射器104的位置、次级反射器104的几何结构和次级反射器孔116的直径有助于各前向和全景视场(分别是318和320)的边界的定义。具体的说，这些参数有助于全景视场320的前向边界和前向视场318的后方边界的定义。次级反射器孔116的直径与用于初级反射器102的反射表面直径的比例在本图示中大约为1∶2.86，但是该比例也可相对于特殊需要的应用而不同。平面反射器几何结构易于制造。诸如凹或凸的用于次级反射器104的替换几何结构可用于设计光学系统以满足特殊视场或分辨率需要。替换的实施例包括具有这种替换的凸或凹几何结构的次级反射器104，仍然包括沿着光轴112的次级反射器孔116。

图2具体描述了通过全向光学系统100的全景和前向部件的光线路径。为了示图的简单，全景光线路径只示出在图2的左侧而前向光线路径示出在右侧。这也仅是为了说明，因为前向和全景光线是从所有方向处理的。同时参考图3，图2详细描述的是在全景视场320的后方边界末端沿着路径214入射的光线。来自前方但是沿着周边的光线216沿着路径到达初级反射器102，然后被反射到次级反射器104，随后再次沿着光轴112被反射通过初级反射器孔114。然后，穿过聚焦透镜组108和像平面110，参见图1。相似地，后方边界光线214沿着从边缘到初级反射器102的路径传到次级反射器104，并通过初级反射器孔114到达聚焦透镜组108和像平面110上，再次参见图1。在图2的右侧，前向光线215的路径是沿着穿过在其内被折射的前方成像透镜组106，然后穿过次级反射器孔116，穿过初级反射器孔114，穿过聚焦透镜组108并到达像平面110的路径。

初级反射器102和次级反射器104两者集成的功能在于确保前向视场318和全景视场320之间的无缝边界。初级和次级反射器102、104的几何结构和尺寸限定了全景视场320的边界，并正好与前向视场318的边界相匹配，既无重叠也无间隙。此外，初级和次级反射器102、104的几何结构限定了全景视场320的F/#¹。F/#可被理解成在该表达式表示透镜的等效焦距与其入射光瞳的直径的比，参见，例如，像平面110上存在的合成图像中的亮度和光学系统的速度。通过使仅是全景光学系统(初级反射器102加上次级反射器104)的F/#和仅是前向光学系统(前向成像透镜组106)的F/#相匹配，就在像平面110上的整个图像上呈现一致的亮度。

前向成像透镜组106被设计成汇聚前向视场318并通过聚焦透镜组108将其传输到像平面110，使得照射到像平面110的图像以最小间隙或重叠获得视场318、320和322的平滑、集成的显示。选择的给定用途的前向成像透镜组106限定了前向视场318的边界并同样也限定了前向视场318的F/#。在优选实施例中，前向视场318横跨大约80度，围绕光轴112+/-40度。前向成像透镜组106相对于像平面110直接设置在次级反射器104之后(即，相对于前向视场直接位于次级反射器104的前方)，并大致以光轴112为中心。在优选实施例中，前向透镜组106中的透镜元件是由诸如BK7的常用光学材料制造的球形光学部件。球形光学器件和常用材料的使用可以降低生产成本和性价比比较高地实现该系统。当然，其他本领域已知的或将要成为已知的合适的场汇聚元件也可以适于给定用途的透镜组106。

聚焦透镜组108沿着光轴112为中心并设置在初级反射器102和像平面110之间。该聚焦透镜组108汇聚来自次级反射器104的全景视场320和来自前向成像透镜组106的前向视场318，作为合成的图像。聚焦透镜组108的作用是将来自全景视场320和前向视场318的两条独立光路聚焦到单个像平面110上并控制在该共面图像上的图像像差。换句话说，通常，初级反射器102的几何结构和直径、次级反射器104的几何结构、初级反射器孔114的直径、次级反射器孔116的直径、前向成像透镜组106的特殊光学性能，和聚焦透镜组108的特殊光学性能，以及这些不同元件沿着光轴112彼此之间的间距，结合成自由参数以精确地确定将何种类型的图像传输到像平面110，并且根据特定用途而改变。

在优选实施例中，初级反射器102将聚焦透镜组108的一部分设http://www.photonics.com/dictionary/lookup/XQ/ASP/url.lookup/entrynum.5806/letter.f/pu./QX/lookup.htm

置在其反射表面下的凹部中。在优选实施例中，聚焦透镜组108中的透镜元件是由诸如BK7的常用光学材料制造的球形光学部件。球形光学器件和常用材料的使用可以降低生产成本和以高的性价比来实现系统。当然，其他本领域已知的或将要成为已知的合适的聚焦元件也适于用于给定用途的透镜组108。

图像/检测平面

前向视场318和全景视场320被集成在单一图像/检测平面110上以被作为单一图像显示。图4示出了像平面110上的具有前向视场318和全景视场320的共面显示的合成图像的概略显示。该共面单一图像提供了用于对需要摇摄和俯仰拍摄以覆盖相同的整个视场的成像系统后处理不可用的多种选择。可以应用图像处理技术来将合成的图像再映射到像平面110上并将其以各种格式提供给用户。像平面110是前向视场318和全景视场320的共面集成的焦点。如图4中所示，一起同心地提供前向视场318与全景视场320。虽然在图3的示意图中说明了前向视场318和全景视场320之间的边界，但这只是说明前向成像透镜组106汇聚的图像和初级反射器102汇聚的图像之间的不同。实际上，全向光学系统100在视场之间的边界不明显的像平面110上产生连续、合成的图像。该像平面110优选地包括可见光或近红外光学/成像探测器，例如CCD或CMOS照相机或探测器。虽然这只是示例性的并不具有任何限制，但是优选实施例被优化为集成有640×480的输出文件大小的1/3″格式传感器。替换的实施例是为不同尺寸和分辨率的可见光和近红外传感器而优化的。在本公开及其附加权利要求的范围内，该传感器可以是模拟或数字的，并能从大约160×120像素的最低分辨率到最高分辨率，该最高分辨率在此时是大于6兆像素的阵列并且在将来可以增加。

视场

如图3所示，示意性实施例提供了具有延伸到最大270度竖直地(向前)和360度圆周的基本上超半球形(hyper-hemispherical)视场的全向光学系统100。该视场是通过在单个像平面110上无缝地集成前向视场318和全景视场320来实现的。前向视场318和全景视场320是非重叠的并且它们之间没有盲点或间隙。前向视场318和全景视场320的边界相对平行；特别地，它们渐渐地会聚并最终重叠。前向视场318总共延伸大约80度(离开光轴+/-40度)。全景视场320延伸大约95度(水平线上50度和水平线下45度)。在前向视场318和全景视场320之间放大率和F/#相匹配。因此，在像平面110上形成的图像看上去连续而没有亮度和尺寸上的不同，并且在无缝边界处没有畸变。初级反射器102和次级反射器104的几何结构限定了全景视场320的范围。类似地，前向成像透镜组106的光学设计限定了前向视场318的范围。前向视场318和全景视场320的每一个范围都可被设计成符合其中使用了全向光学系统100的应用的确切规格。

尺寸和材料

本发明已经试验地证明了对于可见光图像优化的全向光学系统100具有大约40mm直径和62.5mm高度。本发明的公开可以依比例决定直径以适应不同的用途需要。试验上，对于内窥镜/管道镜应用，直径已经依比例确定为2.7mm。材料的确切规格随用途而定。但是，例如，但不是限定的，优选实施例包括具有保护的铝涂层的BK7玻璃的初级反射器102，由抛光铝制成的次级反射器104，以及由其上沉积了抗反射涂层的标准玻璃制成的前向成像透镜组106和聚焦透镜组108中的所有光学元件。

替换实施例

除了上面所列的与各个部件规格和对应用定制相关的替换实施例以外，现在将讨论其他实施例。一种替换实施例包括为了集成用于热或远红外成像的红外成像传感器而优化的，诸如但不限于非冷却微辐射计或焦平面阵列的全向光学系统100。该探测器/传感器嵌入光学系统100的像平面110。被传输和处理的信号中的波长差需要具有不同光学性能的不同光学材料和为微辐射计尺寸和分辨率优化的系统。此时，红外非冷却微辐射计的最高分辨率为320×240像素。具体的说，光学材料中明显的变化对说明电磁波谱的红外谱带来说是必需的。在该实施例中，初级反射器102和次级反射器104优选为镀金的。这是IR反射涂层的标准并且可从光学制造中广泛地得到。用于前向成像透镜组106和聚焦透镜组108中的光学元件的材料的选择包括，但不限于，硒化锌(ZnSe)，氯化钠(NaCl)和溴化铯(CsBr)。

本发明其他的替换实施例是全向光学系统在用于全向自由空间通信的非成像用途中的实施。在图5中描述了该替换实施例，虽然指出图5所示的光线路径和元件的整体结合以如图1中相同的方式构造，但是在该实施例中全向光学系统100被用作全向光学天线。

该全向光学系统100的主要部件仍然保持为与本替换实施例中的相同，并包括初级反射器102，次级反射器104，前向透镜组106和聚焦透镜组108。在本实施例中，初级反射器102和次级反射器104是大面积光汇聚器以将来自全景视场320的光提供到聚焦透镜组108中。其次，前向透镜组106被用作广角物镜以使来自广角前向视场318的光弯曲进入聚焦透镜组108中。第三，聚焦透镜组108包括一组前向正透镜和一组后向负透镜。

在该替换实施例中，该光学系统被改进为用作远焦系统。该改进只包括聚焦透镜组108。换句话说，如所描绘的，该系统包括至少一个大致以光轴112为中心的远焦元件108，该远焦元件108相对于前向场来说位于初级反射器102的后方。像平面110设置在无限远，其由从图5中的聚焦透镜组108发射的平行光线502(而不是汇聚的)来表示。远焦放大率维持在最佳水平，其取决于探测器/发射器尺寸和光学系统的整体尺寸。

在该替换实施例中，对于该长范围光学通信天线的应用，特别是对于高数据率通信系统，需要衍射极限光学系统设计。如果该设计不是衍射极限，那么当数据率达到特定水平时，波前误差可能与相邻光学信号重叠并干扰决策电路。该光学系统形成传输光束，并且任何误差都可降低光束质量。最优化取决于前向透镜组106和聚焦透镜组108的透镜构造以及玻璃材料的选择。

在该替换光学天线实施例中，像平面/探测器平面110必须是无畸变的。对于远焦光学系统，希望像平面110上穿过整个视场上的能量分布(power distribution)是恒定的，该整个视场包括前向视场318加上全景视场320。任何畸变都将改变发射机功率分布，并将使探测器饱和或削弱信号强度。如上所述，通过利用凸双曲线或凸抛物线反射镜作为初级反射器102可以实现无畸变全向光学设计。

最后的替换实施例包括方向变焦。由于公开的全向光学系统100的独特构造，通过使初级反射器102相对于光轴112俯仰移动可以实现全景视场320内的方向变焦，其是典型的球形或替换的抛物线或抛物线。该替换实施例在图6中示出。沿关注方向俯仰移动该初级反射器102以改变图像光纤照射其上的初级反射器102上的区域和总的路径长度，从而改变了像平面110上的图像的尺寸。前向视场318是从像平面110的中心离开还是完全看不到，取决于初级反射器102的倾斜度。然而，由于变焦面积是关注的面积，这不是成像中的因素。所期望的是这种构造可以实现有效面积上的至少5×变焦。此外，通过沿着光轴112移动前向成像透镜组106的元件中的至少一个来实现前向视场318中的方向变焦。

方向变焦可通过结合360度旋转和在支持光学系统100的元件的支撑结构中的两个致动器来实施。根据实施的光学系统100的具体尺寸，可使用小型的旋转和线性致动器。在一种实施中，旋转致动器可以在初级反射器102基底之下以彼此相距180度方式来保持两个线性致动器。通过将线性致动器与旋转致动器定位在所需要的位置可以实现方向变焦，在相对方向上移动它们以实现初级反射器102上的预定倾斜。小型线性致动器可以结合在光学元件的结构支撑中以基于所需要的光学系统100的性能规格来适当地调整和定位元件。实现这些的其他选择对于机械领域的普通技术人员来说是明显的，并且它们被认为在本公开和其附加的权利要求的范围之内。

总的来说，在这里公开的不同实施例中的光学系统100提供了从连续的全部360度全景和大约270度垂直场汇聚信号的能力。这种技术在医学，监视，军事，通信和检查中具有广泛的用途。在医学上，其可以集成不同的现有和将来的包括挠性和刚性内窥镜的内部成像技术。该连续的超宽视场提供了用于实际上横跨所有医学学科成像的无可匹配的能力。光学系统100的监视应用也是很多的。安装的系统可以提供超宽连续的视场，并且该系统可以安装在前向位置，悬挂式安装，或立柱安装。该系统可用作内部或监视用途，包括但不限于安全，娱乐场所动作监视，零售店监视，住宅监视和周围探测。由于超宽视场，其消除了对区域进行扫描的摇摄和俯仰拍摄系统的需要，并且其同样允许商用运动探测软件的集成。无线通信技术可以利用紧凑的光学系统100以实现远程监视能力。在监视用途上扩展的军事用途提供了用于无人飞机和地面车辆的监视和导航技术。多个系统可以连接到远程监视站以为军事哨所或设备提供分布很广的周围探测。最后，光学系统100可用于如光学天线的自由空间通信用途。宽场提供了用于建筑物对建筑物，UAV对UAV，UAV对卫星，UAV对地，以及卫星对卫星通信的理想天线。光学检查应用横跨许多学科。工业管道镜或大尺寸管道履带(large scale pipe crawler)的集成提供了对所有尺寸的管或孔进行检查的能力。其他的检查应用是在检查站的起落架运载工具(undercarriage vehicle)的检查。安装在车辆运送的底座上，其可以提供运载工具起落架的单个图像检查并允许用作用于外物鉴定的图像处理技术手段。

虽然光学系统100适于这些许多不同应用的例子，但是需要认识到这一系统实际上适于需要以无缝方式接收和处理覆盖全部360度全景图和前向/垂直方向内的270度的信号的任何应用。因此，对于需要这种全景和前向/垂直观察的应用这种技术的任何用途都被当作在本公开及其相关权利要求的范围内。

虽然已经说明和描述了本发明的某些优选特征，但是对于本领域技术人员来说，可以作出许多改进、改变和代替。因此，可以理解的是附加的权利要求意图覆盖落入本发明的真实精神内的所有这些改进和改变。

Claims (43)

1.一种无缝地集成了前向和全景场的装置，用于对近场和远场成像实现连续宽视场，该装置包括：

初级反射器，其包括与所述前向场相关的凸面，在所述凸面的至少一部分上反射；

次级反射器，相对于所述前向场位于所述初级反射器的前方，在其面对后面的表面的至少一部分上向所述初级反射器反射，包括面对后面朝向所述初级反射器的基本上平的几何结构；

在所述初级反射器中的初级反射器孔，其基本上以所述装置的光轴为中心；

在所述次级反射器中的次级反射器孔，其基本上以所述光轴为中心；以及

选择所述次级反射器孔和所述初级反射器孔所包括的直径，以使得通过考虑所述初级反射器的几何形状、所述次级反射器的几何形状、沿所述光轴所述初级反射器和所述次级反射器的彼此间隔、以及所述前向和全景场之间限定的边界位置来实现对于近场和远场成像的连续宽视场，

其中，所述前向场能够延伸到竖直最大270度，且所述全景场能够延伸到全景最大360度，其中，通过使用仅一个所述初级反射器和仅一个所述次级反射器来形成所述前向场和所述全景场，

其中，所述前向场和所述全景场的边界无重叠和间隙地相匹配。

2.根据权利要求1的装置，还包括：

至少一个基本上以所述光轴为中心的场汇聚元件，其相对于所述前向场而言位于所述次级反射器的前方。

3.根据权利要求2的装置：

所述至少一个场汇聚元件包括至少两个场汇聚元件，其中至少一个所述场汇聚元件可沿着所述光轴移动。

4.根据权利要求1的装置，还包括：

至少一个基本上以所述光轴为中心的场聚焦元件，其相对于所述前向场而言位于所述初级反射器的后方。

5.根据权利要求1的装置，还包括：

至少一个基本上以所述光轴为中心的远焦元件，其相对于所述前向场而言位于所述初级反射器的后方。

6.根据权利要求1的装置，还包括：

至少一个基本上以所述光轴为中心的场汇聚元件，其相对于所述前向场而言位于所述次级反射器的前方；以及

至少一个基本上以所述光轴为中心的场聚焦元件，其相对于所述前向场而言位于所述初级反射器的后方。

7.根据权利要求6的装置，其中：

将所述初级反射器、所述次级反射器、至少一个场汇聚元件和所述至少一个场聚焦元件相结合配置成将所述前向和全景场之间的基本上无缝的边界投影到检测平面上。

8.根据权利要求6的装置，还包括：

基本上位于所述至少一个场聚焦元件的焦平面内的探测器。

9.根据权利要求8的装置，所述探测器包括光学探测器。

10.根据权利要求8的装置，所述探测器包括红外探测器。

11.根据权利要求8的装置，所述探测器包括用于通信波的探测器。

12.根据权利要求1的装置：

所述初级反射器的所述凸面包括基本上为球面的几何结构。

13.根据权利要求1的装置：

所述初级反射器的所述凸面包括基本上为双曲线的几何结构。

14.根据权利要求1的装置：

所述初级反射器的所述凸面包括基本上为抛物线的几何结构。

15.根据权利要求1的装置：

所述次级反射器包括面对后面朝向所述初级反射器的凹的几何结构。

16.根据权利要求1的装置：

所述次级反射器包括面对后面朝向所述初级反射器的凸的几何结构。

17.根据权利要求1的装置：

其中所述初级反射器可以相对于所述光轴而倾斜。

18.根据权利要求1的装置：

其中所述前向和全景场包括可见光谱中的光学场。

19.根据权利要求1的装置：

其中所述前方和全景场包括红外光谱中的光学场。

20.根据权利要求1的装置：

其中所述前向和全景场包括电磁波。

21.根据权利要求1的装置：

其中所述前向和全景场包括在用于通信的自由空间中传播的电磁波。

22.一种以无缝地合成前向和全景场来接收信号的方法，其用于对近场和远场成像实现连续宽视场，该方法包括：

提供初级反射器，其包括相对于前向场的凸面，在所述凸面的至少一部分上发生反射；

使得次级反射器的基本上平的几何结构相对于所述前向场而言位于所述初级反射器之前，在其表面的至少一部分上向后朝向所述初级反射器反射；

在所述初级反射器中基本上以所述初级反射器和所述次级反射器的光轴为中心设置初级反射器孔；以及

在所述次级反射器中基本上以所述光轴为中心设置次级反射器孔；

其中，选择所述次级反射器孔和所述初级反射器孔，以使得通过考虑所述初级反射器的几何形状、所述次级反射器的几何形状、沿所述光轴所述初级反射器和所述次级反射器的彼此间距、以及所述前向和全景视场之间限定的边界位置来实现对于近场和远场成像的连续宽视场；

其中，所述前向场能够延伸到竖直最大270度，且所述全景场能够延伸到全景最大360度，其中，通过使用仅一个所述初级反射器和仅一个所述次级反射器来形成所述前向场和所述全景场，

其中，所述前向场和所述全景场的边界无重叠和间隙地相匹配。

23.根据权利要求22的方法，还包括：

相对于所述前向场而言，在所述次级反射器的前方基本上以所述光轴为中心设置至少一个场汇聚元件。

24.根据权利要求23的方法，

其中所述至少一个场汇聚元件包括至少两个场汇聚元件，还包括：

沿着所述光轴移动至少一个所述场汇聚元件。

25.根据权利要求22的方法，还包括：

相对于所述前向场而言，在所述初级反射器的后方基本上以所述光轴为中心设置至少一个场聚焦元件。

26.根据权利要求22的方法，还包括：

相对于所述前向场而言，在所述初级反射器的后方基本上以所述光轴为中心设置至少一个远焦元件。

27.根据权利要求22的方法，还包括：

相对于所述前向场而言，在所述次级反射器的前方基本上以所述光轴为中心设置至少一个场汇聚元件：以及

相对于所述前向场而言，在所述初级反射器的后方基本上以所述光轴为中心设置至少一个场聚焦元件。

28.根据权利要求27的方法，还包括：

相结合配置所述初级反射器、所述次级反射器、至少一个场汇聚元件和所述至少一个场聚焦元件，以将所述前向和全景场之间基本上无缝的边界投影到检测平面上。

29.根据权利要求27的方法，还包括：

在基本上位于所述至少一个场聚焦元件的焦平面内提供探测器。

30.根据权利要求29的方法，所述探测器包括光学探测器。

31.根据权利要求29的方法，所述探测器包括红外探测器。

32.根据权利要求29的方法，所述探测器包括用于通信波的探测器。

33.根据权利要求22的方法：

所述初级反射器的所述凸面包括基本上球面的几何结构。

34.根据权利要求22的方法：

所述初级反射器的所述凸面包括基本上双曲线的几何结构。

35.根据权利要求22的方法：

所述初级反射器的所述凸面包括基本上抛物线的几何结构。

36.根据权利要求22的方法，还包括：

使得所述次级反射器的凹的几何结构向后朝向所述初级反射器。

37.根据权利要求22的方法，还包括：

使得所述次级反射器的凸的几何结构向后朝向所述初级反射器。

38.根据权利要求22的方法，还包括：

相对于所述光轴使所述初级反射器倾斜。

39.根据权利要求22的方法，所述接收还包括：

接收可见光谱中的光学场。

40.根据权利要求22的方法，所述接收还包括：

接收红外光谱中的光学场。

41.根据权利要求22的方法，所述接收还包括：

接收电磁波。

42.根据权利要求22的方法，所述接收还包括：

通过接收电磁波经由自由空间进行通信。

43.一种制造无缝地合成前向和全景场的装置的方法，所述装置用于对近场和远场成像实现连续宽视场，该方法包括：

提供初级反射器，其包括相对于前向视场的凸面，在所述凸面的至少一部分上发生反射；

使得次级反射器相对于所述前向场而言位于所述初级反射器前面，在其表面的至少一部分上向后朝向所述初级反射器发生反射并包括面对后面朝向所述初级反射器的基本上平的几何结构；

在所述初级反射器中基本上以所述装置的光轴为中心设置初级反射器孔；

在所述次级反射器中基本上以所述光轴为中心设置次级反射器孔；以及

选择所述次级反射器孔和所述初级反射器孔的直径，以使得通过考虑所述初级反射器的几何形状、所述次级反射器的几何形状、沿所述光轴所述初级反射器和所述次级反射器的彼此间隔、以及所述前向和全景视场之间限定的边界位置来实现对于近场和远场成像的连续宽视场；

其中，所述前向场能够延伸到竖直最大270度，且所述全景场能够延伸到全景最大360度，其中，通过使用仅一个所述初级反射器和仅一个所述次级反射器来形成所述前向场和所述全景场，

其中，所述前向场和所述全景场的边界无重叠和间隙地相匹配。

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