專利名稱：廣角成像光學系統(tǒng)以及使用該廣角成像光學系統(tǒng)的廣角成像裝置、監(jiān)視成像裝置、車載成 ...的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種廣角成像裝置，該裝置通過使用若干個反射表面的組合和若干個透鏡的組合可以產生覆蓋超寬范圍的全景圖像。
背景技術：
針對廣角成像裝置，已經進行了各種研究和開發(fā)，以有效地產生在大區(qū)域中物體之圖像。一個例子是具有魚眼透鏡的廣角照像機的開發(fā)。
JP 10(1998)-54939 A(反射型視角轉換光學器件和使用該器件的光學系統(tǒng))提出了一種通過多樣地改變彼此相對設置的三個鏡面的形狀而產生寬視野圖像的系統(tǒng)。JP 2000-4383 A(多方向圖像攝取器件)提出了一種通過把全景圖像塊的軸(shaft)作為透鏡而在正常圖像內產生反向圖像(counter image)的光學系統(tǒng)。
JP 2001-94839 A(寬視野圖像拾取器件和寬視野圖像拾取顯示器件)提出了這樣一種器件其包括在中心具有孔的凸主鏡、在中心具有孔的凸子鏡、以及設置在子鏡的孔中的透鏡。光線被主鏡反射，并進一步被子鏡反射，然后被成像。該圖像和由透鏡形成的圖像被顯示在器件上。WO00/41024(全景成像裝置)提出了這樣一種系統(tǒng)其中通過使用兩個反射器(例如一個凸雙曲面鏡和一個凹橢圓或球面鏡)、一中繼系統(tǒng)以及一圖像傳感器，提供基本上平坦并且共點的圖像平面。
近年來，通常使用光電接收元件，例如固態(tài)成像器件。在此情況中，在成像透鏡和成像器件之間設置光學部件，例如光學低通過濾器和近紅外截止過濾器，這樣必須有一個相當長的后焦距。光學低通過濾器通過衰減不小于照相所需的空間頻率成分的高頻成分而消除波紋干擾。近紅外截止過濾器校正電感光器的光譜響應。
然而，使用例如魚眼透鏡的廣角成像光學系統(tǒng)通常需要許多透鏡。因此，增加了光學系統(tǒng)的重量，并且裝置變大而昂貴。另外，色差等的產生也是一個問題，而且實際上此廣角成像光學系統(tǒng)僅用于采用特定技術的照相。
JP 10(1998)-54939 A公開了在軸向附近的圖像形成，但同時限制了用于校正各種像差的裝置。對于JP 2000-4383 A的多方向圖像捕獲器件來說，來自物體側的入射光在到達外周不透光平面之前穿過外周透光平面和旋轉體。因此，用于旋轉體的透光材料是厚的，并且當透光材料為樹脂時，其對溫度變化是敏感的以及需要花費較長時間被模鑄。當透光材料為玻璃(尤其非球面玻璃)時，在對玻璃進行拋光中涉及相當大的成本。
JP 2001-94839 A的圖像拾取器件可以同時產生兩個圖像一個以這樣的方式形成圖像，即光線被主鏡反射，并進一步被子鏡反射，然后被成像；以及一個由設置在子鏡中的透鏡形成的圖像。光學系統(tǒng)包括凸主鏡、凸子鏡以及凹透鏡。而且應該把主透鏡放置在成像器件和子鏡之間。在此情況中，主透鏡的F數(shù)是高的，并且由于光學系統(tǒng)的配置，進入主透鏡的光線是發(fā)散光。因而，主透鏡變得大而復雜。
WO00/41024的全景成像裝置需要中繼光學系統(tǒng)，以在光學系統(tǒng)中形成中間圖像，這樣增加了整個光學系統(tǒng)的長度，從而導致較大的裝置。
正如以上所述，當使用光電接收元件時，不僅要求保證相當長的后焦距，以便提供光學部件(例如光學低通過濾器和近紅外截止過濾器，而且還要求充分地校正像差。但是，為了實現(xiàn)這一點，需要相當多的透鏡，并且應當致力于減少透鏡數(shù)量的光學設計。

發(fā)明內容
為了解決上述傳統(tǒng)的問題，本發(fā)明的目的是提供一種廣角成像光學系統(tǒng)，其采用簡單的結構可以產生覆蓋360度最大水平視角的全景圖像以及在軸向附近的圖像，并且具有較長的后焦距、改善的像差校正、以及亮度。
本發(fā)明的一種廣角成像光學系統(tǒng)包括折射光學系統(tǒng)、反射光學系統(tǒng)、以及圖像形成光學系統(tǒng)。反射光學系統(tǒng)和圖像形成光學系統(tǒng)按照如從較長的共軛距離側所看到的指示順序被設置，并構成第一光學系統(tǒng)。折射光學系統(tǒng)和圖像形成光學系統(tǒng)按照如從較長的共軛距離側所看到的指示順序被設置，并構成第二光學系統(tǒng)。反射光學系統(tǒng)包括直接反射來自物體之光線的第一反射表面，以及反射來自第一反射表面之光線的第二反射表面。在第一反射表面和第二反射表面之間設置一個開口部分，并且來自物體的光線進入開口部分。在第二反射表面中設置一個透光部分，并透過已進入折射光學系統(tǒng)的光線。在第一反射表面中設置一個開孔，它允許來自第二反射表面和折射光學系統(tǒng)的光線進入圖像形成光學系統(tǒng)。
本發(fā)明的一種廣角成像裝置包括本發(fā)明的廣角成像光學系統(tǒng)和用于拾取由圖像形成光學系統(tǒng)形成的圖像的成像器件。
本發(fā)明的一種監(jiān)視成像裝置包括本發(fā)明的廣角成像光學系統(tǒng)。
本發(fā)明的一種車載成像裝置包括本發(fā)明的廣角成像光學系統(tǒng)。
本發(fā)明的一種投影裝置包括本發(fā)明的廣角成像光學系統(tǒng)。
附圖簡述

圖1是根據本發(fā)明實施例1的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖2是根據本發(fā)明實施例1的廣角成像裝置的示意性側視圖。
圖3是沿著圖2中箭頭A方向的視圖。
圖4是根據本發(fā)明實施例1的廣角成像裝置的示意性立體圖。
圖5是出現(xiàn)在根據本發(fā)明實施例1的廣角成像裝置的成像器件上的圖像之示意圖。
圖6是根據本發(fā)明實施例2的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖7是根據本發(fā)明實施例2的廣角成像裝置的另一個例子的示意性橫截面視圖。
圖8是根據本發(fā)明實施例2的廣角成像裝置的又一個例子的示意性橫截面視圖。
圖9是根據本發(fā)明實施例3的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖10是根據本發(fā)明實施例3的廣角成像裝置的另一個例子的示意性橫截面視圖。
圖11是根據本發(fā)明實施例4的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖12是根據本發(fā)明實施例4的廣角成像裝置的另一個例子的示意性橫截面視圖。
圖13是根據本發(fā)明實施例5的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖14是根據本發(fā)明實施例5的廣角成像裝置的成像器件的示意視圖。
圖15是根據本發(fā)明實施例6的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖16是根據本發(fā)明實施例6的廣角成像裝置的另一個例子的示意性橫截面視圖。
圖17是根據本發(fā)明實施例7的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖18是根據本發(fā)明實施例8的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖19是根據本發(fā)明實施例9的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖20是根據本發(fā)明實施例9的廣角成像裝置的成像器件的示意視圖。
圖21是根據本發(fā)明實施例10的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖22是根據本發(fā)明實施例11的廣角成像裝置的示意性立體圖。
圖23是根據本發(fā)明實施例12的廣角成像裝置的示意性立體圖。
圖24是根據本發(fā)明實施例12的廣角成像裝置的另一個例子的示意性立體圖。
圖25是根據本發(fā)明實施例13的廣角成像裝置的示意性立體圖。
圖26是根據本發(fā)明實施例14的廣角成像裝置的示意性立體圖。
圖27是根據本發(fā)明實施例15的廣角成像裝置的示意性立體圖。
圖28是根據本發(fā)明實施例16的廣角成像裝置的示意性立體圖。
圖29是根據本發(fā)明實施例17的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖30是出現(xiàn)在根據本發(fā)明實施例17的廣角成像裝置的成像器件上的圖像之示意圖。
圖31是根據本發(fā)明實施例17的廣角成像裝置的另一個例子的示意性橫截面視圖。
圖32是通過改變放大倍數(shù)形成的并且出現(xiàn)在根據本發(fā)明實施例17的廣角成像裝置的另一個例子的成像器件上的圖像之示意圖。
圖33是根據本發(fā)明實施例18的廣角成像裝置的示意性立體圖。
圖34是根據本發(fā)明實施例18的廣角成像裝置的另一個例子的示意性立體圖。
圖35是根據本發(fā)明實施例18的廣角成像裝置的又一個例子的示意性立體圖。
圖36A顯示了本發(fā)明實例1中的第一光學系統(tǒng)的球面像差。
圖36B顯示了本發(fā)明實例1中的第一光學系統(tǒng)的象散。
圖36C顯示了本發(fā)明實例1中的第一光學系統(tǒng)的失真。
圖37A顯示了本發(fā)明實例1中的第二光學系統(tǒng)的球面像差。
圖37B顯示了本發(fā)明實例1中的第二光學系統(tǒng)的象散。
圖37C顯示了本發(fā)明實例1中的第二光學系統(tǒng)的失真。
圖38A顯示了本發(fā)明實例2中的第一光學系統(tǒng)的球面像差。
圖38B顯示了本發(fā)明實例2中的第一光學系統(tǒng)的象散。
圖38C顯示了本發(fā)明實例2中的第一光學系統(tǒng)的失真。
圖39A顯示了本發(fā)明實例2中的第二光學系統(tǒng)的球面像差。
圖39B顯示了本發(fā)明實例2中的第二光學系統(tǒng)的象散。
圖39C顯示了本發(fā)明實例2中的第二光學系統(tǒng)的失真。
圖40A顯示了本發(fā)明實例3中的第一光學系統(tǒng)的球面像差。
圖40B顯示了本發(fā)明實例3中的第一光學系統(tǒng)的象散。
圖40C顯示了本發(fā)明實例3中的第一光學系統(tǒng)的失真。
圖41A顯示了本發(fā)明實例3中的第二光學系統(tǒng)的球面像差。
圖41B顯示了本發(fā)明實例3中的第二光學系統(tǒng)的象散。
圖41C顯示了本發(fā)明實例3中的第二光學系統(tǒng)的失真。
圖42是顯示了根據本發(fā)明實施例19的反射表面之組合的例子的示意性橫截面視圖。
圖43是根據本發(fā)明的權利要求20的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。
圖44描述了Si2AsTe2的透光曲線。
圖45是根據本發(fā)明的監(jiān)視廣角成像裝置的實施例的示意圖。
圖46是根據本發(fā)明的車載廣角成像裝置的實施例的示意圖。
圖47是根據本發(fā)明的投影廣角成像裝置的實施例的示意圖。
圖48是根據本發(fā)明實施例25的車載成像裝置的示意圖。
圖49是當改變安裝角度時，根據本發(fā)明實施例25的車載成像裝置的示意圖。
圖50是根據本發(fā)明實施例26的車載成像裝置的示意圖。
圖51顯示了根據本發(fā)明實施例26的車載成像裝置的寬區(qū)域圖像。
圖52顯示了當成像區(qū)域中的車輛移動時，根據本發(fā)明實施例26的車載成像裝置的寬區(qū)域圖像。
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式本發(fā)明包括具有第一反射表面和第二反射表面的反射光學系統(tǒng)、設置在第一反射表面和第二反射表面之間的開口部分、設置在第二反射表面中的透光部分、以及設置在第一反射表面中的開孔，由此可以產生覆蓋寬范圍(即，360度最大水平視角和大約180度垂直視角)的全景圖像。而且，主光學系統(tǒng)可以由不產生色差的若干個反射表面構成。這不僅減少了設計的工時，而且還減少了制造上的限制，從而可以實現(xiàn)體積小、重量輕、低成本、以及明亮的廣角成像光學系統(tǒng)。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地，第一光學系統(tǒng)和第二光學系統(tǒng)共享圖像形成光學系統(tǒng)。此配置可以減小裝置的尺寸。
優(yōu)選地，沒有中間圖像形成在廣角成像光學系統(tǒng)內。采用此配置，廣角成像光學系統(tǒng)不是中繼光學系統(tǒng)，而且減少了該光學系統(tǒng)的總長度，從而可實現(xiàn)更小型的裝置。
優(yōu)選地，廣角成像光學系統(tǒng)滿足以下表示的關系式fa＞0
fb＞0其中，fa是第一光學系統(tǒng)的組合焦距，fb是第二光學系統(tǒng)的組合焦距。采用此配置，廣角成像光學系統(tǒng)不是中繼光學系統(tǒng)，而且減少了光學系統(tǒng)的總長度，從而可實現(xiàn)更小型的裝置。當fa不大于下限時，在第一光學系統(tǒng)內形成中間圖像，這樣由第一光學系統(tǒng)形成的物體之圖像為正立圖像。而且，第一光學系統(tǒng)變成了中繼光學系統(tǒng)，這增加了光學系統(tǒng)的總長度。
當fb不大于下限時，在第二光學系統(tǒng)內形成中間圖像，這樣由第二光學系統(tǒng)形成的物體之圖像為正立圖像。而且，第二光學系統(tǒng)變成了中繼光學系統(tǒng)，這增加了光學系統(tǒng)的總長度。在這種情況下，當反轉由第一光學系統(tǒng)形成的圖像時，結果圖像是不連續(xù)的。
優(yōu)選地，廣角成像光學系統(tǒng)滿足以下表示的關系式f2≥d其中，f2是第二反射表面的焦距，以及d是第一反射表面和第二反射表面之間的軸上的距離。此配置可以容易地校正圖像形成光學系統(tǒng)中的像差。當不滿足f2≥d時，在反射光學系統(tǒng)內形成中間圖像，并且穿過圖像形成光學系統(tǒng)的光線之偏移角變得較大，這樣使得很難校正圖像形成光學系統(tǒng)中的像差。而且，第一光學系統(tǒng)形成的物體之圖像為正立圖像。因此，當反轉由第二光學系統(tǒng)形成的圖像時，結果圖像是不連續(xù)的。
優(yōu)選地，廣角成像光學系統(tǒng)滿足以下表示的關系式|f12/fa|＞5其中，fa是第一光學系統(tǒng)的組合焦距，并且f12是第一反射表面和第二反射表面的組合焦距。此配置可以減少光學系統(tǒng)的總長度。而|f1/fa|代表反射表面的無聚焦系統(tǒng)的等級。當該值不大于下限時，減小了第一和第二反射表面的組合焦距。因此，提供了中繼光學系統(tǒng)而不是無聚焦系統(tǒng)，同時在廣角成像光學系統(tǒng)內形成中間圖像，從而光學系統(tǒng)總長度變得更長。
優(yōu)選地，廣角成像光學系統(tǒng)滿足以下所表示的關系式r2＞00.3＜r1/r2＜0.7其中，r1是第一反射表面的曲率半徑，以及r2是第二反射表面的曲率半徑。此配置可以實現(xiàn)小而明亮的光學系統(tǒng)。當r2不大于下限時，第二反射表面具有如從物體之入射光所看到的凸表面，并且進入圖像形成光學系統(tǒng)的光線是發(fā)散光。因此，圖像形成光學系統(tǒng)本身變得更大，這又增大了該裝置的尺寸。
當該值不小于0.3＜r1/r2＜0.7的上限時，來自第二反射表面的光線以較大角度進入開孔，這樣使得很難校正圖像形成光學系統(tǒng)中的像差。而且，也降低了開孔的效率，以至于不能保證在外周的亮度。當該值不大于下限時，在第二反射表面上由第一光學系統(tǒng)使用的區(qū)域延伸到中心軸附近，從而透光部分的區(qū)域變得較窄。因而，來自第二圖像形成光學系統(tǒng)中的光線不能穿過透光部分，并且不能形成圖像。
優(yōu)選地，廣角成像光學系統(tǒng)滿足以下表示的關系式|fb-fa|/|fa|＜0.5其中，fa是第一光學系統(tǒng)的組合焦距，以及fb是第二光學系統(tǒng)的組合焦距。此配置可以防止圖像的丟失或者重疊。而當該值不小于|fb-fa|/|fa|＜0.5的上限時，增加了第一光學系統(tǒng)和第二光學系統(tǒng)之間的后焦距的差異。而且，由于第一光學系統(tǒng)的圖像形成之放大倍數(shù)不同于第二光學系統(tǒng)的圖像形成之放大倍數(shù)，所以由第一光學系統(tǒng)形成的環(huán)形圖像和由第二光學系統(tǒng)形成的圓形圖像是不連續(xù)的，從而導致圖像的丟失或者重疊。
優(yōu)選地，廣角成像光學系統(tǒng)滿足以下表示的關系式1.2＜bf/fi＜1.8其中，bf是當來自無限遠處的物體的光線并行地進入圖像形成光學系統(tǒng)時、利用空氣測量的圖像形成光學系統(tǒng)的后焦距，以及fi是圖像形成光學系統(tǒng)的組合焦距。此配置可以減少光學系統(tǒng)的總長度。當該值不小于1.2＜bf/fi＜1.8的上限時，增加了后焦距，使得光學系統(tǒng)的總長度比變得更長，其反過來也增大了裝置的尺寸。當該值不大于下限時，減小了后焦距，并且不能提供光學系統(tǒng)。
優(yōu)選地，折射光學系統(tǒng)包括具有負放大率的第一透鏡組和具有正放大率的第二透鏡組，第一透鏡和第二透鏡如從物體側所看到的指示順序被設置。采用此配置，廣角成像光學系統(tǒng)在中途點不形成任何中間圖像，并且可實現(xiàn)明亮的光學系統(tǒng)。
優(yōu)選地，第一反射表面和第二反射表面至少之一在形狀上是旋轉對稱非球面表面。此配置通過使用非球面系數(shù)而可最佳地校正在反射光學系統(tǒng)自身中生成的場曲率和象散。
優(yōu)選地，第一光學系統(tǒng)的圖像形成之放大系數(shù)和第二光學系統(tǒng)的圖像形成之放大系數(shù)具有相同的符號。采用此配置，當由第一光學系統(tǒng)形成的圖像為正立圖像時，由第二光學系統(tǒng)形成的圖像也為正立圖像。而且，當由第一光學系統(tǒng)形成的圖像為倒立圖像時，由第二光學系統(tǒng)形成的圖像也為倒立圖像。因此，可以獲得連續(xù)的圖像。
優(yōu)選地，第一光學系統(tǒng)的圖像形成之放大系數(shù)和第二光學系統(tǒng)的圖像形成之放大系數(shù)均為負。采用此配置，廣角成像光學系統(tǒng)不是中繼光學系統(tǒng)，并且減少了光學系統(tǒng)的總長度，從而可實現(xiàn)較小的裝置。
優(yōu)選地，第一反射表面的至少一個焦點和第二反射表面的至少一個焦點相重合。旋轉對稱非球面表面具有一或兩個焦點。通過把第一反射表面和第二反射表面相組合，此配置允許主光線會聚在焦點位置上。
優(yōu)選地，透鏡光闌位于圖像形成光學系統(tǒng)內或圖像形成光學系統(tǒng)和第二反射表面之間。采用此配置，第二反射表面的焦點之一與透鏡光闌的中心像重合。因此，通過圖像形成光學系統(tǒng)可以對光線成像，同時主光線在會聚在透鏡光闌位置處。
優(yōu)選地，第二反射表面的焦點與透鏡光闌的中心相重合。
優(yōu)選地，屏蔽部件形成在開孔的外周附近。此配置可消除由反射表面反射四次或者更多次的、進入開孔的、并且在穿過圖像形成光學系統(tǒng)之后被拾取的重像光。
優(yōu)選地，屏蔽部件支撐圖像形成光學系統(tǒng)。此配置可以有效地使用屏蔽部件，而無需依賴特殊部件用于支撐圖像形成光學系統(tǒng)。
優(yōu)選地，圖像形成光學系統(tǒng)包括遮光罩，其限制進入圖像形成光學系統(tǒng)的光線。當成像器件拾取圓形圖像和環(huán)行圖像時，此配置可以防止第二成像區(qū)域(在這里光線進入折射光學系統(tǒng))的圓形圖像與形成在該圓形圖像外側的第一成像區(qū)域(在這里光線進入反射光學系統(tǒng))的環(huán)形圖像相重疊。
優(yōu)選地，圖像形成光學系統(tǒng)的多個透鏡如從物體側所看到的下列順序被設置一負透鏡、一正透鏡、以及一正透鏡。此配置允許圖像形成光學系統(tǒng)即使采用少量的透鏡時也具有相當長的后焦距、改進的像差特性以及亮度。
優(yōu)選地，圖像形成光學系統(tǒng)的多個透鏡如從物體側所看到的下列順序被設置一負透鏡、一正透鏡、一正透鏡、以及一正透鏡。此配置允許圖像形成光學系統(tǒng)即使采用少量的透鏡時也具有相當長的后焦距、改進的像差特性以及亮度。
優(yōu)選地，折射光學系統(tǒng)包括遮光罩，其限制進入折射光學系統(tǒng)的光線。當成像器件拾取圓形圖像和環(huán)行圖像時，此配置可以防止第二成像區(qū)域(在這里光線進入折射光學系統(tǒng))的圓形圖像與形成在該圓形圖像外側的第一成像區(qū)域(在這里光的射線進入反射光學系統(tǒng))的環(huán)形圖像相重疊。
優(yōu)選地，第一反射表面與圖像形成光學系統(tǒng)的透鏡整體地形成。此配置可以改善廣角成像光學系統(tǒng)的制造成本和效率，并且減少廣角成像光學系統(tǒng)需要的光學部件的數(shù)目。而且，減小了反射光學系統(tǒng)中的光學元件的光軸和圖像形成光學系統(tǒng)中的光學元件的光軸之間的偏移，由此使光學系統(tǒng)具有抗振動能力。這樣，該光學系統(tǒng)可以維持高性能，特別是當用作車載光學系統(tǒng)時。
優(yōu)選地，第一反射表面的形狀與對應于開孔的圖像形成光學系統(tǒng)之透鏡的一部分的形狀基本上相同。
優(yōu)選地，第一反射表面的形狀與對應于開孔的圖像形成光學系統(tǒng)之透鏡的一部分的形狀不同。采用此配置，開孔處的透鏡可以具有與凸或凹透鏡相同的效果，以致于可以最佳地校正廣角成像光學系統(tǒng)中產生的各種像差，從而產生覆蓋寬范圍的高質量圖像。
優(yōu)選地，第二反射表面與折射光學系統(tǒng)的透鏡整體地形成。此配置可以改善廣角成像光學系統(tǒng)的制造成本和效率，以及減少廣角成像光學系統(tǒng)的需要的光學部件的數(shù)目。而且，減小了反射光學系統(tǒng)中的光學元件的光軸和折射光學系統(tǒng)中的光學元件的光軸之間的偏移，從而使光學系統(tǒng)具有抗振動能力。因此，該光學系統(tǒng)的可以維持高的性能，特別是當用作車載光學系統(tǒng)時。另外，該配置與整體形成的圖像形成光學系統(tǒng)的第一反射表面和透鏡相組合能夠進行精確的圖像顯示和圖像處理轉換，因為由第一光學系統(tǒng)形成的環(huán)形圖像和由第二光學系統(tǒng)形成的環(huán)形圖像可以更精確地具有相同的中心點。
優(yōu)選地，第二反射表面的形狀與對應于透光部分的折射光學系統(tǒng)之透鏡的一部分的形狀基本上相同。該配置有助于處理過程。
優(yōu)選地，第二反射表面的形狀與對應于透光部分的折射光學系統(tǒng)之透鏡的一部分的形狀不同。采用該配置，透光部分處的透鏡可以具有與凸或凹透鏡相同的效果，以致于可以最佳地校正廣角成像光學系統(tǒng)中產生的各種像差，從而產生覆蓋寬范圍的高質量圖像。
優(yōu)選地，圖像形成光學系統(tǒng)包括第三反射表面，其反射由圖像形成光學系統(tǒng)成像的光線。第三反射表面可以沿基本上垂直于中心軸的方向反射光線。因此，甚至在有限的空間中，可以增加廣角成像光學系統(tǒng)的光學路徑長度。
優(yōu)選地，折射光學系統(tǒng)和圖像形成光學系統(tǒng)對于包括1μm到10μm的紅外波長區(qū)域是透光的。采用此配置，折射光學系統(tǒng)和圖像形成光學系統(tǒng)傳送從可見到紅外之寬范圍的波長區(qū)域中的光。這樣，該裝置可以使用在從可見到紅外之寬范圍的波長區(qū)域。
本發(fā)明的廣角成像裝置包括本發(fā)明的廣角成像光學系統(tǒng)以及用于拾取由圖像形成光學系統(tǒng)形成的圖像的成像器件。該廣角成像裝置可以產生覆蓋寬范圍(例如360度最大水平視角和大約180度垂直視角)的全景圖像。而且，主光學系統(tǒng)可以由不產生色差的反射表面構成。這不僅減少了設計的工時，而且還減少了制造上的限制，以致于可以實現(xiàn)小型、重量輕、低成本、以及明亮的廣角成像裝置。
在該廣角成像裝置中，優(yōu)選地，設置多個廣角成像光學系統(tǒng)和對應于多個廣角成像光學系統(tǒng)之每個的成像器件，以便產生物體的若干個獨立圖像。與包括單個廣角成像光學系統(tǒng)的配置相比，該配置不僅可以產生覆蓋360度最大水平視角的全景圖像，而且還可以增大垂直視角。
優(yōu)選地，設置兩個廣角成像光學系統(tǒng)和對應于兩個廣角成像光學系統(tǒng)之每個的成像器件，以便產生物體的若干個獨立圖像，而且當結合第一反射表面的曲率中心和第二反射表面的曲率中心的軸被標識為中心軸時，相對于垂直于該中心軸的軸，對稱地設置兩個廣角成像光學系統(tǒng)。
優(yōu)選地，多個廣角成像光學系統(tǒng)共享單個成像器件。此配置有利于小尺寸和輕重量。
優(yōu)選地，當把其中光線進入反射光學系統(tǒng)的區(qū)域標識為第一成像區(qū)域，以及把其中光線進入折射光學系統(tǒng)的區(qū)域標識為第二成像區(qū)域時，由成像器件拾取的圖像包括通過占據第二成像區(qū)域獲得的圓形圖像和通過占據第一成像區(qū)域獲得的并形成在圓形圖像外側的環(huán)形圖像；第一成像區(qū)域和第二成像區(qū)域互相不重疊；以及連續(xù)地設置圓形圖像和環(huán)形圖像。此配置可以有效地使用成像器件的有效區(qū)域，消除圖像的丟失和重疊，并可保證精確地成像。
優(yōu)選地，設置保護部件，以包圍開口部分。此配置可以容易和有效地保護反射光學系統(tǒng)。
優(yōu)選地，保護部件提供有用于防止內部反射的薄膜。此配置可以有效地消除由保護部件從內部反射的并穿過與正常光相同光學路徑的重像光，同時容易和有效地保護反射光學系統(tǒng)。
優(yōu)選地，保護部件具有基本上為截頭圓錐體形狀，而且在第一反射表面的保護部件的內徑不同于在第二反射表面的保護部件的內徑。此配置可以控制重像光的反射角，并且防止重像光穿過與正常光相同的光學路徑。
優(yōu)選地，折射光學系統(tǒng)和圖像形成光學系統(tǒng)至少之一具有變焦距功能。此配置可以在軸向附近產生物體的放大圖像。
優(yōu)選地，可以把廣角成像裝置安裝在物體上，并且可以對安裝角度進行調整。此配置可以容易地改變成像范圍。
優(yōu)選地，廣角成像裝置包括移動物體檢測功能。采用此配置，可以提取移動物體，因此周圍的任何移動可以被檢測到并且可精確地被識別。
本發(fā)明的監(jiān)視成像裝置包括本發(fā)明的廣角成像光學系統(tǒng)，因而可以產生覆蓋水平視角以及垂直視角之寬范圍的全景圖像。而且，把由反射從可見到紅外之寬范圍的波長區(qū)域內的光的材料制成的反射表面與由透過在可見到紅外之波長范圍的光的材料制成的透鏡相組合。這樣，可以在白天或夜間的任何時候執(zhí)行覆蓋超寬范圍的監(jiān)視。
本發(fā)明的車載成像裝置包括本發(fā)明的廣角成像光學系統(tǒng)，因而可以產生覆蓋水平視角以及垂直視角之寬范圍的全景圖像。把產生的圖像顯示在安裝在車輛中的車載監(jiān)視器上，從而可以將車載成像裝置用作例如后視監(jiān)視器、前視監(jiān)視器或側視監(jiān)視器。
本發(fā)明的投影裝置包括本發(fā)明的廣角成像光學系統(tǒng)，因而可以通過投影器(例如視頻投影器)對覆蓋超寬范圍的物體圖像進行投影。
以下將參照附圖，描述本發(fā)明的各實施例。
實施例1圖1顯示本發(fā)明實施例1的廣角成像裝置之基本配置沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。圖2是該裝置之基本部分的側面視圖。圖3是沿著圖2中箭頭A方向的視圖。圖4是該裝置之基本部分的立體圖。圖1的廣角成像裝置包括折射光學系統(tǒng)3、由第一反射表面1和第二反射表面2構成的反射光學系統(tǒng)、以及圖像形成光學系統(tǒng)5。中心軸9結合第一反射表面1的曲率中心和第二反射表面2的曲率中心。
圖1的廣角成像裝置的光學系統(tǒng)包括第一光學系統(tǒng)和第二光學系統(tǒng)。對于第一光學系統(tǒng)，如從較長的共軛距離側所看到的指示順序，設置反射光學系統(tǒng)和圖像形成光學系統(tǒng)5。對于第二光學系統(tǒng)，如從較長的共軛距離側所看到的指示順序，設置折射光學系統(tǒng)3和圖像形成光學系統(tǒng)5。在圖1的例子中，較長的共軛距離側與一個圖像平面(成像器件7)相對。在下面各圖中，同樣如此。
第一反射表面1具有從來自外部(物體)的入射光8b(來自第一成像區(qū)域的光線)所看到的凸表面。第二反射表面2具有從來自入射光8b所看到的凹表面。圖像形成光學系統(tǒng)5的透鏡6與第一反射表面1整體地形成，同時折射光學系統(tǒng)3的透鏡4與第二反射表面2一起整體地形成。
來自外部(物體)的入射光8a(來自第二成像區(qū)域的光線)由折射光學系統(tǒng)3折射，穿過透光部分2a，例如提供在第二反射表面2中的圓形開口和提供在第一反射表面1中的圓形開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。
入射光8b由第一反射表面1的凸表面和與第二反射表面2的凹表面連續(xù)地反射，穿過提供在第一反射表面1中的圓形開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7進行拾取。
第一反射表面1和第二反射表面2是相對于中心軸9對稱的旋轉非球面表面。在本實施例中，通過旋轉一拋物線獲得第一反射表面1和第二反射表面2。
在圖3中，中心軸9穿過直角交叉的中心線9a，9b的交叉點。正如從圖1到圖3可看到的，第一反射表面1和第二反射表面2在中心軸9上以預定距離相互隔開。這樣，開口部分設置在第一反射表面1和第二反射表面2之間，以便該部分朝向其中心在中心軸9上的圓之整個外周張開。
因此，來自外部的入射光8a，8b可以進入范圍從0到360度之角度θ的任何位置，如圖3所示。在圖1中，另一方面，當把垂直視角α定義為沿逆時針方向的正值時，在大約-30～30度的垂直向視角α處，來自第二成像區(qū)域的光線8a由廣角成像光學系統(tǒng)成像，同時在大約30到90度以及-30到-90度的垂直視角α處，來自第一成像區(qū)域的光線8b被成像。這樣，本實施例的廣角成像裝置具有最大360度的水平視角和最大180度的垂直視角。
圖5描述了由圖1的廣角成像裝置產生的大區(qū)域中的物體之圖像。第二成像區(qū)域的圓形圖像52和第一成像區(qū)域的環(huán)形圖像53出現(xiàn)在成像器件51上。由于第一成像區(qū)域的成像范圍與第二成像區(qū)域的成像范圍是連續(xù)的，所以圓形圖像52和環(huán)形圖像53可以形成為單個連續(xù)的圓形圖像。因此，可以有效地使用成像器件51的有效區(qū)域。通過使開孔1a和透光部分2a為圓形、通過調整在反射光學系統(tǒng)中的反射表面的形狀和設置、以及進一步通過調整在折射光學系統(tǒng)3和圖像形成光學系統(tǒng)5中的透鏡的形狀和設置，可以產生該圖像。
優(yōu)選地，第一光學系統(tǒng)的圖像形成的放大系數(shù)和第二光學系統(tǒng)的圖像形成的放大系數(shù)具有相同的符號。這樣，當由第一光學系統(tǒng)形成的圖像為正立圖像時，由第二光學系統(tǒng)形成的圖像也為正立圖像。而且，當由第一光學系統(tǒng)形成的圖像為倒立圖像時，由第二光學系統(tǒng)形成的圖像也為倒立圖像。因此，可以獲得連續(xù)的圖像。在此情況中，優(yōu)選地，第一光學系統(tǒng)的圖像形成之放大系數(shù)和第二光學系統(tǒng)的圖像形成之放大系數(shù)均為負。采用負號，廣角成像光學系統(tǒng)不是中繼光學系統(tǒng)，而且減少了光學系統(tǒng)的總長度，從而可實現(xiàn)較小的裝置。對于以下的各實施例，同樣同此。
正如以上所描述的，本實施例允許主光學系統(tǒng)由不產生色差的反射表面構成。因此，不僅可以減少了設計的工時，而且可以減少制造上的限制，從而提供小的、輕重量的、低成本的、以及明亮的廣角成像裝置。而且，折射光學系統(tǒng)和反射光學系統(tǒng)的透鏡以及與這些透鏡整體地形成在一起的反射表面具有非球面表面，從而可以校正光學系統(tǒng)中產生的各種像差。另外，如圖5中所示，可以產生覆蓋超寬范圍(即360度的最大水平視角和大約180度的最大垂直視角)的全景圖像，同時又可以有效地使用成像器件。
在本實施例中，第一反射表面1和第二反射表面2為通過旋轉一個拋物線獲得的旋轉非球面表面。但是，這些反射表面也可以通過旋轉包括圓或雙曲線的橢圓而獲得。對于以下的各實施例，同樣如此。
對于透鏡4、6中的每個透鏡，以連續(xù)一致的形狀形成配置有反射表面的部分和對應于透光部分2a或開孔1a的部分。但是，透鏡形狀也可以被改變，例如，通過顛倒透光部分2a或開孔1a處的凸凹性，這將在以下的各實施例中詳細地描述。
實施例2
圖6和7顯示實施例2的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。在基本配置上，本實施例與實施例1(圖1到圖5)相同，但不同之處在于具有平坦反射表面的第三反射表面61設置在圖像形成光學系統(tǒng)5和成像器件7之間的光學路徑中。
在圖6中，來自外部的入射光8a由折射光學系統(tǒng)3折射，穿過提供在第二反射表面2中的透光部分2a和提供在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，在一個方向由第三反射表面61反射，并由成像器件7拾取。來自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面連續(xù)地反射，穿過提供在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，由第三反射表面61在一個方向上反射，并由成像器件7拾取。因而，通過使用第三反射表面61，可以在中心軸9的方向上使光學系統(tǒng)變得更短，這樣減小了裝置的尺寸。
圖7是顯示實施例2的廣角成像裝置之基本配置的另一個實例的示意圖。此配置不同于圖6中的配置之處在于將聚光器5a設置在具有平坦反射表面的第三反射表面71和圖像形成光學系統(tǒng)5中的成像器件7之間。與圖6中的配置相同，通過使用第三反射表面71，可以使該裝置在中心軸9的方向上變得更短，這樣減小了裝置的尺寸。
對于圖8中所示的實施例，基本配置與圖7中所示的實施例相同，但不同之處在于具有平坦反射表面的第三反射表面81被設置，以在基本上垂直于中心軸9的方向上反射穿過第一反射表面1的開孔1a之后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像的光線。這不僅可以減小廣角成像光學系統(tǒng)的尺寸，而且還可以即使在有限的空間內增加廣角成像光學系統(tǒng)的光學路徑的長度。
實施例3圖9顯示實施例3中的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。在基本配置上，本實施例與實施例1(圖1～5)相同，但不同之處在于第三反射表面被彎曲。
在圖9中，來自外部的入射光8a由折射光學系統(tǒng)3折射，穿過設置在第二反射表面2中的透光部分2a和設置在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，由具有反射曲面的第三反射表面91在一個方向上反射，進一步由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。來自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面連續(xù)地反射，穿過設置在第一反射表面1中的開孔1a，由第三反射表面91在一個方向上反射，進一步由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。第三反射表面91被設置，以在基本上垂直于中心軸9的方向上反射穿過開孔1a的光線。第三反射表面91可以具有任何曲面，例如圓柱形表面、復曲面、或自由形狀表面。自由形狀表面是一種無旋轉對稱軸的曲面。
對于圖10中所示的實施例，第三反射表面101是彎曲的，并且設置第三反射表面101，以在基本上垂直于中心軸9的方向上反射穿過開孔1a的光線。在本實施例中，第三反射表面101具有復曲面或自由形狀表面，從而與圖9中的實施例相比，減少了圖像形成光學系統(tǒng)中透鏡的數(shù)目。
與實施例2相同，通過使用第三反射表面，本實施例可以減小裝置的尺寸。而且，設置第三反射表面，以在基本上垂直于中心軸9的方向上反射光線。因此，即使在有限的空間，也可以增加廣角成像光學系統(tǒng)之光學路徑長度。
實施例4圖11顯示實施例4的廣角成像裝置之基本配置的、沿包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。在基本配置上，本實施例與實施例1(圖1～5)相同，但不同之處在于，每個反射表面的形狀不同于對應于開孔和透光部分的每個透鏡的一部分的形狀。
在圖1的配置中，第一反射表面1的形狀與對應于開孔1a的透鏡1的一部分的形狀基本上相同。相類似，第二反射表面2的形狀與對應于透光部分2a的透鏡4的一部分的形狀基本上相同。
在圖11的實施例中，形成設置有第一反射表面1的透鏡111的一部分，使得兩個表面(一個面對物體側的表面和另一個面對圖像平面?zhèn)鹊谋砻?朝物體側凸出。然而，在開孔1a中，兩個表面朝物體側凹入。另一方面，形成配置有第二反射表面2的透鏡112的一個部分，使得兩個表面(一個面對物體側的表面和另一個面對圖像平面?zhèn)鹊谋砻?朝物體側凸出。然而，在透光部分2a中，在圖像平面?zhèn)鹊谋砻娉矬w側凹入，而在物體側的表面朝物體側凸出。在此情況中，透光部分2a的凸出度不同于提供有第二反射表面2的透鏡112的一部分中的凸出度。
因而，在圖11的配置中，第一反射表面1的形狀不同于對應于開孔1a的透鏡111的一個部分的形狀。相類似，第二反射表面112的形狀不同于對應于透光部分2a的透鏡112的一個部分的形狀。
在此配置中，來自外部的入射光8a由折射光學系統(tǒng)3折射，穿過透光部分2a和提供在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。
來自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面連續(xù)地反射，穿過提供在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。如以上所述，當透光部分或開孔中的透鏡之基本橫截面不同于提供有反射表面的一部分中的的透鏡之基本橫截面時，效果與在透光部分或開孔處單獨設置特殊的凸透鏡或凹透鏡之效果是相差不大的。而且，可以最佳地校正廣角成像光學系統(tǒng)中的各種像差，這樣產生覆蓋寬范圍的高質量圖像。
圖12顯示實施例4的廣角成像裝置之基本配置的另一個例子的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。在基本配置上，本實施例與實施例1(圖1～5)相同，但不同之處在于第一反射表面1和第二反射表面2與樹脂基片整體地形成，并且不同于樹脂基片的特殊透鏡分別被設置在透光部分2a和開孔1a處。在本實施例中，第一反射表面1的形狀不同于相應于開孔1a的透鏡的一部分的形狀。類似地，第二反射表面2的形狀不同于相應于透光部分2a的透鏡的一部分的形狀。
在圖12中，第一反射表面1與第一樹脂基片113整體地形成，同時第二反射表面2與第二樹脂基片114整體地形成。來自外部的入射光8a由包括透鏡3a的折射光學系統(tǒng)3折射，穿過設置在第二反射表面2和第二樹脂基片114的透光部分2a以及設置在第一反射表面1和第一樹脂基片113中的開孔1a，然后由包括透鏡5b的圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。
來自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面連續(xù)地反射，穿過設置在第一反射表面1和第一樹脂基片113中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。
正如以上所述，圖12的配置可以分別使用用于透光部分2a和開孔1a的特殊透鏡。因此，通過改變折射光學系統(tǒng)3和圖像形成光學系統(tǒng)5的透鏡設置，可以最佳地校正廣角成像光學系統(tǒng)中的各種像差，這樣產生覆蓋寬范圍的高質量圖像。
圖像形成光學系統(tǒng)5可以被固定而與設置在第一反射表面1和第一樹脂基片113中的開孔1a相接觸。可替換地，圖像形成光學系統(tǒng)5也可以通過插入開孔1a而被固定。相類似，折射光學系統(tǒng)3可以通過與提供在第二反射表面2和第二樹脂基片114中的透光部分2a相接觸而被固定。另外，折射光學系統(tǒng)3也可以通過插入開孔1a而被固定。可以使用粘合劑等來固定光學系統(tǒng)。
在圖12中，僅通過第一樹脂基片113固定圖像形成光學系統(tǒng)5的多個透鏡的透鏡5a。然而，當把多個透鏡固定在一個部件中時，可以過第一樹脂基片113固定整個圖像形成光學系統(tǒng)5。
在圖11和12的例子中，反射表面的形狀不同于開孔1a和透光部分2a中的透鏡的形狀。然而，反射表面的形狀可以不同于開孔1a和透光部分2a其中任一個中的透鏡的形狀。
實施例5圖13顯示實施例5的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。本實施例使用了兩個如圖1中所示的實施例1的廣角成像光學系統(tǒng)，并且它們被并排地、對稱地設置。
也可以把圖2到圖4應用于本實施例的廣角成像光學系統(tǒng)的一半。盡管在以下的各實施例中沒有給出相應圖2到圖4的說明，但對反射表面的說明與圖2到圖4相同。
廣角成像光學系統(tǒng)之一半的基本配置和操作與實施例1中的基本配置和操作相同。來自外部的入射光8a由折射光學系統(tǒng)3折射，穿過提供在第二反射表面2中的透光部分2a和提供在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。
來自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面連續(xù)地反射，穿過設置在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5對其加以成像，并由成像器件7進行拾取。
與實施例1一樣，廣角成像光學系統(tǒng)的一半具有360度最大水平視角和180度最大垂直視角。在圖13中，中心線9c和中心軸9呈直角交叉，兩個廣角成像光學系統(tǒng)相對于中心線9c對稱。左側的廣角成像光學系統(tǒng)具有大約180度垂直視角，以及右側的廣角成像光學系統(tǒng)具有大約180度垂直視角。換句話說，本實施例使用了兩個廣角成像光學系統(tǒng)，以總共360度的垂直視角，在一個大的區(qū)域中產生一個物體的若干個獨立圖像。
圖14顯示了由圖13的廣角成像光學系統(tǒng)產生的在一大區(qū)域中的物體之圖像。第二成像區(qū)域的圓形圖像132和第一成像區(qū)域的環(huán)形圖像133出現(xiàn)在第一成像器件131上。由于第一成像區(qū)域的成像范圍與第二成像區(qū)域的成像范圍連續(xù)，所以圓形圖像132和環(huán)形圖像133形成為單個連續(xù)的圓形圖像132。因此，可以有效地使用第一成像器件131的有效區(qū)域。
類似地，第二成像區(qū)域的圓形圖像135和第一成像區(qū)域的環(huán)形圖像136出現(xiàn)在第二成像器件134上。由于第一成像區(qū)域的成像范圍與第二成像區(qū)域的成像范圍是連續(xù)的，所以圓形圖像135和環(huán)形圖像136形成為單個連續(xù)的圓形圖像134。因此，可以有效地使用第二成像器件134的有效區(qū)域。
如以上所描述的，本實施例可以產生覆蓋360度最大水平視角的全景圖像。而且，與實施例1中的大約180度相比，本實施例還可以以360度最大垂直視角產生圖像。
實施例6圖15和16顯示實施例6的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。本實施例使用了兩個如圖6中所示的實施例2的廣角成像光學系統(tǒng)，它們被并排地、對稱地設置。廣角成像光學系統(tǒng)的一半的基本配置和操作與實施例2中的基本配置和操作相同。
圖15中的配置使用了如圖6中所示的兩個廣角成像光學系統(tǒng)。在圖15中，來自外部的入射光8a由折射光學系統(tǒng)3折射，穿過提供在第二反射表面2中的透光部分2a和提供在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，在一個方向上由具有平坦反射表面的第三反射表面61反射，并由成像器件7拾取。
來自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面連續(xù)地反射，穿過設置在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，在一個方向上由第三反射表面61反射，并由成像器件7拾取。
圖16中的配置使用了如圖7中所示的兩個廣角成像光學系統(tǒng)。在圖16中，來自外部的入射光8a由折射光學系統(tǒng)3折射，穿過設置在第二反射表面2中的透光部分2a和設置在第一反射表面1中的開孔1a，在一個方向上由第三反射表面71反射，進一步由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。
來自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面連續(xù)地反射，穿過提供在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，在一個方向上由第三反射表面71反射，進一步由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。
與實施例2一樣，廣角成像光學系統(tǒng)的一半具有360度最大水平視角和180度最大垂直視角。因此，本實施例也可以使用兩個廣角成像光學系統(tǒng)以360度的垂直視角產生圖像。
實施例7圖17顯示實施例7的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。該基本配置與實施例6中的基本配置(圖15和16)相同。本實施例使用了兩個如圖9中所示的廣角成像光學系統(tǒng)，并且不同于實施例6之處在于第三反射表面是彎曲的。第三反射表面91可以具有任何曲面，例如圓柱形表面、復曲面或自由形狀表面。
正如在具有平坦表面的第三反射表面的情況中，本實施例可使光學系統(tǒng)在中心軸9方向上變得更短。而且，設置第三反射表面，以在基本上垂直于中心軸9的方向上反射穿過開孔1a的光線。因此，甚至在有限的空間中，可以增加廣角成像光學系統(tǒng)的光學路徑之長度。
實施例8圖18顯示實施例8的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。該基本配置與實施例7的基本配置(圖17)相同。本實施例使用了兩個如圖10中所示的廣角成像光學系統(tǒng)，并且第三反射表面具有復曲面或自由形狀表面，從而減少了廣角成像光學系統(tǒng)中透鏡的數(shù)目。采用該配置，裝置可以具有輕重量和低成本。
實施例5到8使用了如圖1或者圖6到圖10中所示的實施例的兩個廣角成像光學系統(tǒng)。然而，也可以使用如圖11和12中所示的實施例的廣角成像光學系統(tǒng)。
實施例9圖19顯示實施例9的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。本實施例與實施例6的相同之處在于并排、對稱地設置兩對第一和第二反射表面，以及進一步設置第三反射表面，用于由圖像形成光學系統(tǒng)成像的光線。然而，本實施例與實施例6的不同之處在于左側光學系統(tǒng)和右側光學系統(tǒng)共享在圖像形成光學系統(tǒng)中的透鏡183和成像器件184。
相對于中心線9d，對稱地設置相應于左側光學系統(tǒng)的具有平坦表面的第三反射表面181和相應于右側光學系統(tǒng)的具有平坦表面的第三反射表面182。在左側和右側廣角成像光學系統(tǒng)的每個廣角成像光學系統(tǒng)中，來自外部的入射光8a由折射光學系統(tǒng)3折射，穿過提供在第二反射表面2中的透光部分2a，并且進入提供在第一反射表面1中的開孔1a。來自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面連續(xù)地反射，并進入設置在第一反射表面1中的開孔1a。
來自左側的入射光由第三反射表面181在一個方向上反射，來自右側的入射光由第三反射表面182在一個方向上反射，以及反射光由透鏡183成像，并由成像器件184拾取。
圖20描述了圖19中的廣角成像光學系統(tǒng)產生的一大區(qū)域中的物體之圖像。左側光學系統(tǒng)形成的第二成像區(qū)域的圓形圖像202和第一成像區(qū)域的環(huán)形圖像203以及右側光學系統(tǒng)形成的第二成像區(qū)域的圓形圖像204和第一成像區(qū)域的環(huán)形圖像205出現(xiàn)在成像器件201上。
因為第一成像區(qū)域的成像范圍與第二成像區(qū)域的成像范圍連續(xù)，所以圓形圖像202和環(huán)形圖像203形成為單個連續(xù)的圓形圖像，并且類似地，圓形圖像204和環(huán)形圖像205形成為單個連續(xù)的圓形圖像。因此，可以有效地使用成像器件201的有效區(qū)域。
在本實施例中，右側和左側光學系統(tǒng)共享透鏡183和成像器件184，從而可以減小廣角成像裝置的尺寸、重量以及成本。
實施例10圖21顯示實施例10的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。本實施例與實施例9的不同之處在于使用棱鏡191代替如圖19中所示的第三反射表面181，182。
在本實施例中，右側和左側光學系統(tǒng)共享棱鏡191、透鏡183、以及成像器件184，從而可以進一步減小廣角成像裝置的尺寸、重量、以及成本。
在本實施例10中，對廣角成像裝置產生的圖像的說明與實施例9(圖20)的廣角成像裝置產生的圖像的說明相同。
實施例11圖22描述了實施例11的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。在基本配置上，本實施例與實施例1(圖1～5)相同，但不同之處在于圓柱形罩子321被用作用于保護廣角成像光學系統(tǒng)中的反射光學系統(tǒng)的部件。罩子321由樹脂材料制作，具有例如大約幾毫米的厚度。
設置罩子321，以包圍第一反射表面1和第二反射表面2之間的開口部分。因此，來自外部的入射光8a通過罩子321到達第一反射表面1。罩子321不僅可以被用在圖1的廣角成像光學系統(tǒng)中，而且也可以用在其它實施例的任何廣角成像光學系統(tǒng)中。
在圖22中，來自外部的入射光8a由折射光學系統(tǒng)3折射，穿過設置在第二反射表面2中的透光部分2a和設置在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。來自外部的入射光8b由罩子321折射，由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面連續(xù)地反射，穿過提供在第一反射表面1中的開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。因此，罩子321可以容易和有效地保護反射光學系統(tǒng)。
實施例12圖23和24顯示實施例12的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。在基本配置上，圖23中的實施例與圖22中的實施例相同，但不同之處在于把抗反射涂層421應用于罩子321的內表面。例如可以通過浸漬法(dipping)形成涂層421。
在圖23的配置中，重像光8c穿過罩子321，并進入罩子321中的空間。然而，涂層421防止內部反射。因此，可以防止重像光8c通過與直接進入罩子321的內部的正常光的光學路徑相同的光學路徑到達成像器件7，圖中的虛線指示了直接進入罩子321的內部的正常光的光學路徑。
在基本配置上，圖24中的實施例與圖22中的實施例相同，但不同之處在于，把罩子321的末端涂成黑色。在圖24的配置中，在罩子321的末端處截止重像光8d。如果沒有截止雙像光8d，其進入罩子321的內部，并由罩子321反射，然后通過與直接進入罩子321的內部的正常光的路徑相同的路徑到達成像器件7，圖中的虛線指示了直接進入罩子321內部的正常光的路徑。
在罩子321的內表面的末端處截止進入罩子321內空間的重像光8e。如果重像光8e未被切斷，其被該末端反射，由第一反射表面1進一步反射，然后通過與正常光的路徑相同的路徑到達成像器件7。這樣，此配置可以防止重像光8d和8e通過正常光的光路徑在半路上結合，并到達成像器件7。
在本實施例中，把罩子321的末端涂成黑色。然而，也可以把任何屏蔽部件設置在罩子321的末端，例如可以由屏蔽材料形成罩子321的末端。
廣角成像光學系統(tǒng)的基本配置不局限于圖1中所示的例子，也可以使用任何其它實施例的廣角成像光學系統(tǒng)。
實施例13圖25顯示實施例13的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。在圖25的配置中，第二反射表面2的外徑小于第一反射表面1的外徑。設置罩子441，以包圍第一反射表面1和第二反射表面2之間的開口部分。罩子441的外部形狀基本上為截頭圓錐體狀，以及內和外表面為錐形?；旧蠟榻仡^圓錐體狀的罩子441由樹脂材料制作，具有例如大約幾毫米的厚度。
盡管實施例12使用涂層421防止內部反射，以便重像光8c不能穿過正常光的光學路徑相同的光學路徑，但本實施例利用罩子441實現(xiàn)了同樣的效果。具體地，如圖25中所示，進入罩子441內部的重像光8c由罩子441的傾斜平面內部地反射，并且反射的重像光8c穿過不同于正常光的光學路徑，這樣防止重像光8c的產生。換句話說，本實施例可以通過罩子441的形狀，調整重像光8c的反射角度，因此可以使用罩子441本身而不是涂層或類似物防止重像光的產生。
不僅圖25中所示的例子，而且其它實施例也可以采用以上配置，其中第二反射表面的外徑小于第一反射表面的外徑，并使用基本上為截頭圓錐體狀的罩子。
實施例14圖26顯示實施例14的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。在基本配置上，本實施例與圖1中的實施例相同，但不同之處在于屏蔽部件1b形成在開孔1a的外周附近。
重像光8c由反射表面1和2反射，再被導向至反射表面1，并且被屏蔽部件1b截斷。當不使用屏蔽部件1b時，重像光8c再次被反射表面1和2再次反射(例如重像光8c在反射表面之間被反射四次)，進入開孔1a，然后由圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取，如圖中的虛線所示。
在圖26中所示的例子中，截止由反射表面反射四次并進入開孔1a的重像光。然而，被截止的重像光可以是由反射表面反射四次或更多次并進入開孔1a的光線。
廣角成像光學系統(tǒng)的基本配置不局限于圖1中所示的例子，也可以使用任何其它實施例的廣角成像光學系統(tǒng)。
實施例15圖27是一個示意性橫截面圖，描述了實施例15中的一個廣角成像裝置的基本配置。在基本配置方面，這一實施例與圖12中的實施例相同，但不同之處在于，把用于支撐圖像形成光學系統(tǒng)5的透鏡鏡筒461也用作屏蔽部件。因此，不需要另一個屏蔽部件，并有效地利用透鏡鏡筒461。在此結構中，重像光8c由反射表面1和2反射，然后再由透鏡鏡筒461截斷。因此，可以防止重像光穿過與正常光的光路徑相同的光路徑，圖中的虛線指出了正常光的光路徑。
在透鏡鏡筒461的末端處提供一個遮光罩462，例如由一個涂黑的屏蔽部件形成的遮光罩。遮光罩462可以限制進入圖像形成光學系統(tǒng)5的光線，并消除導致散光或閃光的視角之外的不希望的光。
由于以大約等于遮光罩的傾斜角的角度進入的光線，所以可能產生反射光。在此情況下，通過形成如樓梯一樣的微細的階梯，可以使遮光罩不平整，從而允許反射光發(fā)散。
在這一實施例中，把遮光罩提供在圖像形成光學系統(tǒng)5中。然而，包括透鏡3a的折射光學系統(tǒng)也可以使用遮光罩，限制進入折射光學系統(tǒng)的光的射線。
廣角成像光學系統(tǒng)的基本配置不局限于圖12中所示的例子，也可以使用任何其它實施例的廣角成像光學系統(tǒng)。
實施例16圖28顯示了包括本發(fā)明的廣角成像光學系統(tǒng)的寬轉換透鏡的實施例。在寬轉換透鏡中，使用了用于視頻攝像機或照相機的圖像拾取器件301而不是如圖1中所示的廣角成像光學系統(tǒng)的圖像形成光學系統(tǒng)5和成像器件7。這使得每次可以產生覆蓋寬范圍的圖像。不僅圖1中的廣角成像光學系統(tǒng)而且任何其它實施例的廣角成像光學系統(tǒng)都可以用于寬轉換透鏡。
實施例17圖29和31描述了實施例17的廣角成像裝置之基本配置的、沿著包含中心軸9的平面截取的示意性橫截面視圖。在基本配置上，本實施例與實施例1(圖1～圖5)相同，但不同之處在于每個反射表面的形狀不同于對應于透光部分2a和開孔1a之每個透鏡的一部分的形狀，以及折射光學系統(tǒng)和圖像形成光學系統(tǒng)具有變焦距功能。對與透光部分2a和開孔1a對應的每個透鏡的一部分的形狀之說明與實施例4中的相同。
在圖29中，來自外部的入射光8a由包括變焦距透鏡333的折射光學系統(tǒng)3折射，穿過提供在第二反射表面2中的透光部分2a和提供在第一反射表面1中的開孔1a，然后由包括變焦距透鏡334的圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。來自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面連續(xù)地反射，穿過提供在第一反射表面1中的開孔1a，然后由包括變焦距透鏡334的圖像形成光學系統(tǒng)5成像，并由成像器件7拾取。
圖30顯示了由圖29中的廣角成像光學系統(tǒng)產生的一大區(qū)域中的物體之圖像。第二成像區(qū)域的圓形圖像341和第一成像區(qū)域的環(huán)形圖像342出現(xiàn)在成像器件7上。在圖31中，將變焦距透鏡334朝物體側移動，以改變圖29中的廣角成像光學系統(tǒng)的放大系數(shù)。
圖32顯示了由圖31中的廣角成像光學系統(tǒng)產生的物體之圖像。通過改變放大系數(shù)獲得的第二成像區(qū)域的圓形圖像361和通過改變放大系數(shù)獲得的并形成在圓形圖像361外側的第一成像區(qū)域的環(huán)形圖像362的部分出現(xiàn)在成像器件7上。通過使用變焦距透鏡，在成像器件7的中心，放大中心軸附近的物體之圖像，從而可以產生更清晰的圖像。
實施例18圖33、34和35是實施例18中的廣角成像裝置的示意性橫截面視圖。在基本配置上，本實施例與實施例1(圖1～5)相同，但不同之處在于透鏡配置和反射表面的形狀，以下將對此作詳細說明。在圖33，34和35每個中，數(shù)字下標ai(i＝1，2，3，...)表示第一光學系統(tǒng)的表面號碼，bi(i＝1，2，3，...)表示第二光學系統(tǒng)的表面號碼，號碼i按從物體側傳播的光的順序增加。參考數(shù)字rai和rbi表示每個表面的曲率半徑，以及dai和dbi表示透鏡的厚度或對應于每個表面的空氣間隔。
在本實施例中，反射表面的形狀是包括非球面系數(shù)的旋轉對稱非球面表面，以及由下面公式(1)表示撓度量Z=h2/R1+[1-(1+k)(h/R)2]2+A2×h2+A4×h4+A6×h6+A8×h8+A10×h10]]>其中，h距光軸的高度，R是表面的曲率半徑，A2到A10是非球面系數(shù)，以及K是錐形系數(shù)。
在本實施例中，正如從來自物體的入射光所看到的那樣，反射光學系統(tǒng)的第一反射表面具有凸表面，以及第二反射表面具有凹表面。而且，折射光學系統(tǒng)包括具有負放大率的第一透鏡組和具有正放大率的第二透鏡組，如從物體側所看到的指示順序，設置并排、對稱地設置。因此，廣角成像光學系統(tǒng)在中途點不形成任何中間圖像，并且可實現(xiàn)明亮的光學系統(tǒng)。
優(yōu)選地，透鏡光闌的位置位于圖像形成光學系統(tǒng)內側或者圖像形成光學系統(tǒng)和第二反射表面之間。采用此配置，第二反射表面的焦點之一與透鏡光闌的中心相重合。因此，圖像形成光學系統(tǒng)可以使光線成像，同時主光線會聚在透鏡光闌位置處。在此實施例中，透鏡光闌的位置被設置在第一反射表面的頂點。
圖像形成光學系統(tǒng)的透鏡按照如從物體側所看到的下列順序被設置一個負透鏡、一個正透鏡、一個正透鏡、以及一個正透鏡。這樣，甚至采用少量的透鏡成像，光學系統(tǒng)可具有一個較長的后焦距、改進的像差校正以及亮度。圖像形成光學系統(tǒng)的透鏡配置可以是這樣的按照如從物體側所看到的指定順序設置一個負透鏡、一個正透鏡、以及一個正透鏡。
插入在接近圖像側的透鏡和成像器件7之間的平板用作光學低通過濾器和近紅外線截止過濾器。在本實施例中，第一反射表面的形狀與對應于開孔1a的圖像形成光學系統(tǒng)之透鏡的一部分的形狀不同。類似地，第二反射表面的形狀與對應于透光部分2a的圖像形成光學系統(tǒng)之透鏡的一部分的形狀不同。
在圖33和34的配置中，第二反射表面的外部形狀小于第一反射表面的外部形狀，并把如圖25中所示的錐形圓錐罩子用作支撐和保護反射光學系統(tǒng)的部件。在圖35的配置中，第一反射表面的外部形狀與第二反射表面的外部形狀基本上相同，并把如圖22中所示的圓柱形罩子用作支撐和保護反射光學系統(tǒng)的部件。
優(yōu)選地，本實施例滿足下列公式(2)到(9)中至少之一公式(2)fa＞0公式(3)fb＞0公式(4)f2≥d公式(5)|f12/fa|＞5公式(6)r2＞0公式(7)0.3＜r1/r2＜0.7
公式(8)|fb-fa|/|fa|＜0.5公式(9)1.2＜bf/f1＜1.8在公式(2)中，fa是第一光學系統(tǒng)的組合焦距。當fa不大于下限時，在第一光學系統(tǒng)內形成中間圖像，這樣由第一光學系統(tǒng)形成的物體之圖像為正立圖像。而且，第一光學系統(tǒng)變成中繼光學系統(tǒng)，這增加了光學系統(tǒng)的總長度。
在公式(3)中，fb是第二光學系統(tǒng)的組合焦距。當fb不大于下限時，在第二光學系統(tǒng)內形成中間圖像，這樣由第二光學系統(tǒng)形成的物體之圖像為一個正立圖像。而且，第二光學系統(tǒng)變成中繼光學系統(tǒng)，這增加了光學系統(tǒng)的總長度。在此情況中，當反轉由第一光學系統(tǒng)形成的圖像時，結果圖像是不連續(xù)的。
在公式(4)中，f2是第二反射表面的焦距，以及d是第一反射表面和第二反射表面之間的軸上距離。當不滿足在公式(4)時，在反射光學系統(tǒng)內形成中間圖像，穿過圖像形成光學系統(tǒng)的光線的偏移角變得較大，這樣使得很難校正圖像形成光學系統(tǒng)中的像差。而且，第一光學系統(tǒng)形成的物體之圖像為正立圖像。因此，當反轉由第二光學系統(tǒng)形成的圖像時，結果圖像是不連續(xù)的。
在公式(5)中，fa是第一光學系統(tǒng)的組合焦距，以及f12是第一反射表面和第二反射表面的組合焦距。公式(5)代表反射表面的無聚焦系統(tǒng)度。當該值不大于下限時，減小了第一和第二反射表面的組合焦距。因此，提供了中繼光學系統(tǒng)而不是無聚焦系統(tǒng)，同時在廣角成像光學系統(tǒng)內形成中間圖像，從而光學系統(tǒng)總長度變得較長。
在公式(6)和(7)中，r1是第一反射表面的曲率半徑，以及r2是第二反射表面的曲率半徑。在公式(5)中，當r2不大于下限時，第二反射表面具有如從物體的入射光所看到的凸表面，以及進入圖像形成光學系統(tǒng)的光線是發(fā)散的。因此，圖像形成光學系統(tǒng)本身變得較大，其反過來也增大了裝置的尺寸。
公式(7)代表第一反射表面的曲率半徑與第二反射表面的曲率半徑的比率。在公式(7)中，當該值不小于上限時，來自第二反射表面的光線以較大的角度進入開孔，這樣使得很難校正圖像形成光學系統(tǒng)中的像差。而且，也降低了開孔效率，從而不能保證外周的亮度。在公式(7)中，當該值不大于下限時，在第二反射表面上由第一光學系統(tǒng)使用的區(qū)域延伸到中心軸附近，這樣透光部分的區(qū)域變得較窄。因而，來自第二圖像形成光學系統(tǒng)中的光線不能穿過透光部分，并且不能形成圖像。
公式(8)代表第一光學系統(tǒng)和第二光學系統(tǒng)之間組合焦距的關系，并定義了它們之間的差異。在公式(8)中，當該值不小于上限時，增大了第一光學系統(tǒng)和第二光學系統(tǒng)之間的后焦距的差異。而且，由于第一光學系統(tǒng)的圖像形成之放大倍數(shù)不同于第二光學系統(tǒng)的圖像形成之放大倍數(shù)，所以由第一光學系統(tǒng)形成的環(huán)形圖像和第二光學系統(tǒng)形成的圓形圖像是不連續(xù)的，從而導致圖像的丟失或重疊。
在公式(9)中，bf是當來自無限遠處的物體之光線并行地進入圖像形成光學系統(tǒng)時、利用空氣測量的圖像形成光學系統(tǒng)的后焦距，以及f1是圖像形成光學系統(tǒng)的組合焦距。在公式(9)中，當該值不小于上限時，增大后焦距，使得光學系統(tǒng)的總長度變得更長，其反過來也增大了裝置的尺寸。在公式(9)中，當該值不大于下限時，減小了后焦距，以及不能提供光學系統(tǒng)。
公式(1)～(9)不僅可以應用于圖33～35中的配置，也可應用于任何其它實施例的配置。
實例1實例1是針對圖33中的廣角成像裝置。在實例1中，第一光學系統(tǒng)的焦距fa(mm)、亮度Fno以及成像范圍(一半視角)ω(°)如下
fa＝1.00、Fno＝1.94以及ω＝30°到90°。
表1顯示了實例1中的第一光學系統(tǒng)的數(shù)字值，其中，nd和vd分別表示在d行上的折射率和Abbe數(shù)。在以下的各表中，同樣如此。
表1

在實例1中，第二光學系統(tǒng)的焦距fa(mm)、亮度Fno、以及成像范圍(一半視角)ω(°)如下fa＝0.75、Fno＝1.94以及ω＝0到30°。
表2描述了實例1中的第二光學系統(tǒng)的數(shù)字值。
表2

在本實施例中，第一光學系統(tǒng)和第二光學系統(tǒng)共享圖像形成光學系統(tǒng)。因此，表1中的a10到a19的值等于表2中的b10到b19的值。在表2和3中，同樣如此。
以下顯示了實例1中的非球面系數(shù)和錐狀系數(shù)。如以上所描述的，第一光學系統(tǒng)和第二光學系統(tǒng)共享圖像形成光學系統(tǒng)。因此，a16表面和a17表面的值分別等于b16表面和b17表面的值。在實例2和3中，同樣如此。
a1表面 A4＝2.8000×10-5，K＝0.577a2表面 A4＝-3.000×10-6，K＝-0.478a16表面 A4＝-1.304×10-3
A6＝-3.388×10-3A8＝4.371×10-4A10＝-7.611×10-5K＝-0.814a17表面 A4＝-1.214×10-2A6＝6.983×10-4A8＝-2.812×10-4A10＝1.681×10-5K＝7.287以下描述了實例1中的公式(2)到(9)的值。
Fa＝1Fb＝0.75F2≥d(f2＝12.3，d＝3.68)|f12/fa|＝34.4r2＝24.6r1/r2＝0.52|fb-fa|/|fa|＝0.25bf/f1＝1.59圖36A到圖36C以及圖37A到圖37C分別顯示了實例1中第一光學系統(tǒng)和第二光學系統(tǒng)的像差曲線。圖36A和圖37A顯示了球面像差(mm)，其中實線表示在587.62nm波長處的值，具有較小間距的虛線表示在435.84nm波長處的值，以及具有較大間距的虛線表示在656.27nm波長處的值。在圖38A、圖39A、圖40A、以及圖41A中，同樣如此。
圖36B和圖37B描述了象散(mm)，其中實線表示場的弧矢曲率，虛線表示場的經線曲率。在圖38B、圖39B、圖40B、以及圖41B中，同樣如此。圖36C和圖37C描述了失真(％)。在圖38C、圖39C、圖40C、以及圖41C中，同樣如此。
實例2實例2針對圖34中的廣角成像裝置。在實例2中，第一光學系統(tǒng)的焦距fa(mm)、亮度Fno、以及成像范圍(一半視角)ω(°)如下fa＝1.00、Fno＝1.97，以及ω＝30°到90°。
表3描述了實例2中的第一光學系統(tǒng)的數(shù)字值。
表3

在實例2中，第二光學系統(tǒng)的焦距fa(mm)、亮度Fno、以及成像范圍(一半視角)ω(°)如下fa＝0.80、Fno＝1.97以及ω＝0到30°。
表4描述了實例1中的第二光學系統(tǒng)的數(shù)字值。
表4

以下描述了實例2中的非球面系數(shù)和錐形系數(shù)。
a1表面 A4＝1.101×10-4A6＝-8.222×10-7，K＝4.533a2表面 A4＝-8.170×10-5A6＝2.503×10-6，K＝8.574a16表面 A4＝2.231×10-5A6＝-3.407×10-3A8＝-1.506×10-4
A10＝4.315×10-5K＝-0.294a17表面 A4＝-1.063×10-2A6＝2.140×10-3A8＝-9.959×10-5A10＝1.032×10-4K＝149.704以下描述了實例1中的公式(2)到(9)的值。
fa＝1fb＝0.80f2≥d(f2＝11.5，d＝3.4)|f12/fa|＝20.5r2＝23.1r1/r2＝0.45|fb-fa|/|fa|＝0.20bf/f1＝1.38圖38A到圖38C以及圖39A到圖39C分別顯示了實例1中第一光學系統(tǒng)和第二光學系統(tǒng)的像差曲線。
實例3實例3針對圖35中的廣角成像裝置。在實例3中，第一光學系統(tǒng)的焦距fa(mm)、亮度Fno、以及成像范圍(一半視角)ω(°)如下fa＝1.00、Fno＝2.00以及ω＝25°到90°。
表5描述了實例3中的第一光學系統(tǒng)的數(shù)字值。
表5

在實例3中，第二光學系統(tǒng)的焦距fa(mm)、亮度Fno、以及成像范圍(一半視角)ω(°)如下fa＝0.80、Fno＝2.00，以及ω＝0到25°。
表6描述了實例1中的第二光學系統(tǒng)的數(shù)字值。
表6

以下描述了實例1中的非球面系數(shù)和錐形系數(shù)。
a1表面 A4＝1.900×10-5A6＝1.037×10-7，K＝0.271a2表面 A4＝-2.000×10-6A6＝-4.713×10-9，K＝-0.515
以下描述了實例1中的公式(2)到(9)的值。
fa＝1fb＝0.80f2≥d(f2＝14.3，d＝13.8)|f12/fa|＝15.3r2＝28.5r1/r2＝0.44|fb-fa|/|fa|＝0.20bf/f1＝1.34圖40A到圖40C和圖41A到圖41C分別顯示了實例1中第一光學系統(tǒng)和第二光學系統(tǒng)的像差曲線。
實施例19圖42顯示了第一反射表面和第二反射表面的組合、并對應于沿著包含中心軸9的平面截取的橫截面視圖。圖42僅說明了圖像形成光學系統(tǒng)的透鏡和與透鏡整體地形成的第一反射表面221、以及折射光學系統(tǒng)的透鏡和與透鏡整體地形成的第二反射表面221，但沒有示出第三反射表面、成像器件等。
在此配置中，第一反射表面221具有如從物體側的入射光所看到的凸表面，第二反射表面222具有從入射光所看到的凹表面。在圖42中，并排地設置兩對反射表面。然而，這些成對反射表面的一半也可以應用于如圖1到圖12中所示的任何配置。
實施例20圖43顯示了實施例20中的廣角成像裝置的立體圖。與實施例5～10一樣，本實施例使用了兩個廣角成像光學系統(tǒng)。如圖43中所示，第一反射表面251和第二反射表面252包括在第一廣角成像光學系統(tǒng)257中，同時第一反射表面254和第二反射表面255包括在第二廣角成像光學系統(tǒng)258中。
在本實施例中，第一廣角成像光學系統(tǒng)257的中心軸253和第二廣角成像光學系統(tǒng)258的中心軸256以除180度之外的角度θ交叉。即，中心軸隨著廣角成像光學系統(tǒng)的不同而不同。另一方面，以上實施例中的每個均顯示了θ＝180度的例子，這意味著中心軸對于各廣角成像光學系統(tǒng)是公用的。
在圖43中，兩個中心軸具有交叉點。然而，在這些中心軸之間可以不提供交叉點。在實施例5到10中，中心軸可以以預先確定的角度θ交叉，也可以沒有交叉點。
實施例21圖44描述了Si2AsTe2的透光曲線，Si2AsTe2為Si-As-Te玻璃。正如可以從圖中所看到的，在紅外波長區(qū)域(1～10μm)，Si2AsTe2局有一個較高的透射率。類似地，材料(例如鍺)在紅外波長區(qū)域也具有較高的透射率。另一方面，例如，由例如涂有Al和MgF2的玻璃襯底形成的反射鏡可以反射至少85％的在從可見到紅外之寬范圍的波長區(qū)域中的光。
因而，在以上的每一實施例中，當由例如涂有Al和MgF2的玻璃襯底形成的反射鏡與包括由例如Si2AsTe2或鍺制作的透鏡的折射光學系統(tǒng)和圖像形成光學系統(tǒng)相組合時，反射表面反射光，并且折射光學系統(tǒng)和圖像形成光學系統(tǒng)均傳送從可見到紅外之寬范圍的波長區(qū)域中的光。這樣，該裝置可以用于從可見到紅外之寬范圍的波長區(qū)域。
實施例22圖45顯示了包括以上實施例中的廣角成像裝置的任何一個的監(jiān)視成像系統(tǒng)。監(jiān)視成像裝置271安裝在監(jiān)視空間275中，并通過電纜274連接到監(jiān)視器272和圖像處理器273。由圖像處理器273處理產生的圖像，以創(chuàng)建一個全景圖像，其使得可以執(zhí)行覆蓋寬范圍的實時監(jiān)視。圖像處理器273也用作記錄介質，使得這些圖像可被存儲并用作數(shù)據庫。
而且，當采用如在實施例13中所描述的反射表面和透鏡的組合時，該裝置可以用于從可見到紅外之寬范圍的波長區(qū)域中。這樣，可在白天或夜間的任何時候，執(zhí)行覆蓋寬范圍的監(jiān)視，并可記錄其條件。
實施例23圖46描述了包括以上實施例中的廣角成像裝置的任何一個的車載成像系統(tǒng)。當安裝車載成像裝置281(例如安裝在車輛282的后視鏡、前視鏡、或側視鏡部分)時，產生的全景圖像顯示在安裝在車輛282中的車載監(jiān)視器283上，從而車載成像裝置281可以用作后視監(jiān)視器、前視監(jiān)視器、或側視監(jiān)視器。這使得駕駛員可以實時掌握交通情況，從而確保更安全舒適的駕駛。
實施例24圖47顯示了包括以上實施例中的廣角成像裝置的任何一個的投影系統(tǒng)。在投影系統(tǒng)中，空間光調制器292例如是形成光學圖像的液晶面板。屏幕294用作聚焦平面，廣角成像光學系統(tǒng)291把圖像投影在聚焦平面上。
圖像形成在由光源293照射的空間光調制器292上，然后由廣角成像光學系統(tǒng)291放大，并且投影到屏幕294上。這樣，實現(xiàn)可以為觀察者提供極寬視野的視頻投影儀。
實施例25
實施例25中的廣角成像裝置可以安裝在物體上，并且安裝角度可以調整。圖48和49每個顯示了當廣角成像裝置用作車載成像裝置時的實施例。在這些例子中，車載成像裝置371安裝在車輛373后部中的側面。車載成像裝置371的基本配置可以為以上實施例中的廣角成像裝置的任何一個。
在圖48的實例中，車載成像裝置371安裝在車輛373上，并使其中心軸基本上垂直于將加以成像的地面。在圖49的實例中，通過改變安裝角度以便中心軸相對于地面傾斜，來安裝車載成像裝置381。相對車輛373對車載成像裝置的安裝角度的如此改變，允許把成像范圍從一個成像范圍372(圖48)改變到一個成像范圍(圖49)。
當提供了用于改變車載成像裝置的安裝角度的可移動裝置，以從車輛373內部控制安裝角度時，可以容易地改變成像范圍，從而可以檢測周圍環(huán)境，并對周圍環(huán)境精確地加以識別。
在這一實施例中，廣角成像裝置用作車載成像裝置。然而，并不局限于此，例如，也可以用作例如監(jiān)視成像裝置。
實施例26圖50和52每個顯示了車載成像裝置的實施例。在圖50中，車載成像裝置391安裝在車輛393上。對角線陰影區(qū)域392標示成像范圍。車載成像裝置391包括移動物體檢測功能，并且該裝置本身的基本配置可以為以上實施例中的廣角成像裝置的任何一個之基本配置。
圖51和52顯示了車載成像裝置391的寬區(qū)域圖像。當車輛394進入車載成像裝置391的成像范圍392中時，移動物體檢測功能運作，以便車輛394的圖像作為移動物體圖像402出現(xiàn)在寬區(qū)域圖像401上，如圖51中所示。
而且，當車輛394移動時，對其自動進行追蹤，并且車輛394的圖像出現(xiàn)在寬區(qū)域圖像411上作為移動物體圖像412，如圖52中所示。移動物體檢測功能允許抽取和顯示周圍任何移動的物體，這樣引起觀察者更多的注意。
實施例17、25以及26的組合也可作為包括變焦功能、隨偏好的可變成像范圍功能、以及移動物體檢測功能的廣角成像系統(tǒng)，提供高度改進的成像。
產業(yè)上的應用性如以上所描述的，本發(fā)明包括具有第一反射表面和第二反射表面的折射光學系統(tǒng)、提供在第一反射表面和第二反射表面之間的開口部分、提供在第二反射中的透光部分、以及提供在第一反射表面的開孔；由此產生覆蓋寬范圍(例如360度最大水平視角和大約180度垂直視角)的全景圖像。而且，主光學系統(tǒng)可以由不產生色差的反射表面構成。這不僅減少了設計的工時，而且還減少了制造上的限制，以便可以實現(xiàn)小型的、輕重量的、低成本的、以及明亮的廣角成像光學系統(tǒng)。因此，本發(fā)明的廣角成像光學系統(tǒng)可用于監(jiān)視成像裝置、車載成像裝置以及投影裝置。
權利要求
1.一種廣角成像光學系統(tǒng)，包括折射光學系統(tǒng)；反射光學系統(tǒng)；以及圖像形成光學系統(tǒng)，其中，所述反射光學系統(tǒng)和所述圖像形成光學系統(tǒng)按照如從較長的共軛距離側所看到的指示順序被設置，并且構成第一光學系統(tǒng)；以及所述折射光學系統(tǒng)和所述圖像形成光學系統(tǒng)按照如從較長的共軛距離側所看到的指示順序被設置，并且構成第二光學系統(tǒng)，其中，所述反射光學系統(tǒng)包括直接反射來自物體之光線的第一反射表面，以及反射來自所述第一反射表面之光線的第二反射表面，其中，在所述第一反射表面和所述第二反射表面之間設置一個開口部分，并且來自所述物體的光線進入所述開口部分，其中，在所述第二反射表面中設置一個透光部分，并且透過已進入所述折射光學系統(tǒng)的光線，以及其中，在所述第一反射表面中設置一個開孔，它允許來自所述第二反射表面和所述折射光學系統(tǒng)的光線進入所述圖像形成光學系統(tǒng)。
2.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述第一光學系統(tǒng)和所述第二光學系統(tǒng)共享所述圖像形成光學系統(tǒng)。
3.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，沒有中間圖像形成在所述廣角成像光學系統(tǒng)內。
4.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，滿足下式表示的關系fa＞0fb＞0其中，fa是所述第一光學系統(tǒng)的組合焦距，以及fb是所述第二光學系統(tǒng)的組合焦距。
5.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，滿足以下表示的關系式f2≥d其中，f2是所述第二反射表面的焦距，以及d是所述第一反射表面和所述第二反射表面之間的軸上距離。
6.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，滿足下式表示的關系|f12/fa|＞5其中，fa是所述第一光學系統(tǒng)的組合焦距，以及f12是所述第一反射表面和所述第二反射表面的組合焦距。
7.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，滿足以下表示的關系式r2＞00.3＜r1/r2＜0.7其中，r1是所述第一反射表面的曲率半徑，以及r2是所述第二反射表面的曲率半徑。
8.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，滿足以下表示的關系式|fb-fa|/|fa|＜0.5其中，fa是所述第一光學系統(tǒng)的組合焦距，以及fb是所述第二光學系統(tǒng)的組合焦距。
9.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，滿足以下表示的關系式1.2＜bf/fi＜1.8其中，bf是當來自無限遠處的物體之光線并行地進入所述圖像形成光學系統(tǒng)時、利用空氣測量的所述圖像形成光學系統(tǒng)的后焦距，以及fi是所述圖像形成光學系統(tǒng)的組合焦距。
10.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述折射光學系統(tǒng)包括具有負放大率的第一透鏡組和具有正放大率的第二透鏡組，所述第一透鏡組和所述第二透鏡如從物體側所看到的指示順序被設置。
11.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面至少之一在形狀上為旋轉對稱非球面表面。
12.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述第一光學系統(tǒng)的圖像形成之放大系數(shù)和第二光學系統(tǒng)的圖像形成之放大系數(shù)具有相同的符號。
13.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述第一光學系統(tǒng)的圖像形成之放大系數(shù)和所述第二光學系統(tǒng)的圖像形成之放大系數(shù)均為負。
14.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述第一反射表面的至少一個焦點和所述第二反射表面的至少一個焦點相重合。
15.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，透鏡光闌位于所述圖像形成光學系統(tǒng)內或者所述圖像形成光學系統(tǒng)和所述第二反射表面之間。
16.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述第二反射表面的焦點與所述透鏡光闌的中心相重合。
17.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，在所述開孔的外周附近形成屏蔽部件。
18.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述屏蔽部件支撐所述圖像形成光學系統(tǒng)。
19.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述圖像形成光學系統(tǒng)包括限制進入所述圖像形成光學系統(tǒng)之光線的遮光罩。
20.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述圖像形成光學系統(tǒng)的多個透鏡按照如從物體側所看到的下列順序被設置一個負透鏡、一個正透鏡、以及一個正透鏡。
21.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述圖像形成光學系統(tǒng)的透鏡按照如從物體側所看到的下列順序被設置一個負透鏡、一個正透鏡、一個正透鏡、以及一個正透鏡。
22.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述折射光學系統(tǒng)包括限制進入所述折射光學系統(tǒng)之光線的遮光罩。
23.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述第一反射表面與所述圖像形成光學系統(tǒng)的一個透鏡整體地形成。
24.根據權利要求23的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述第一反射表面的形狀與對應于所述開孔的所述圖像形成光學系統(tǒng)之透鏡的一部分的形狀基本上相同。
25.根據權利要求23的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述第一反射表面的形狀與對應于所述開孔的所述圖像形成光學系統(tǒng)之透鏡的一部分的形狀不同。
26.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述第二反射表面與所述折射光學系統(tǒng)的一個透鏡整體地形成。
27.根據權利要求26的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，第二反射表面的形狀與對應于該透光部分的所述折射光學系統(tǒng)之透鏡的一部分的形狀基本上相同。
28.根據權利要求26的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述第二反射表面的形狀與對應于該透光部分的該折射光學系統(tǒng)之透鏡的一部分的形狀不同。
29.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述圖像形成光學系統(tǒng)包括反射成像之光線的第三反射表面。
30.根據權利要求1的廣角成像光學系統(tǒng)，其中，所述折射光學系統(tǒng)和所述圖像形成光學系統(tǒng)對于包括1μm～10μm的紅外波長區(qū)域是透光的。
31.一種廣角成像裝置，包括根據權利要求1到30的任何一個的廣角成像光學系統(tǒng)；以及成像器件，用于拾取該圖像形成光學系統(tǒng)形成的圖像。
32.根據權利要求31的廣角成像裝置，其中設置多個廣角成像光學系統(tǒng)和對應于所述多個廣角成像光學系統(tǒng)之每一個的若干個成像器件，以產生一個物體的若干個獨立圖像。
33.根據權利要求32的廣角成像裝置，其中設置兩個廣角成像光學系統(tǒng)和對應于所述兩個廣角成像光學系統(tǒng)之每一個的若干個成像器件，以產生一個物體的若干個獨立圖像；及當將結合第一反射表面和第二反射表面的曲率中心的一個軸標識為中心軸時，這兩個廣角成像光學系統(tǒng)相對于垂直于該中心軸的一個軸對稱設置。
34.根據權利要求32的廣角成像裝置，其中，所述多個廣角成像光學系統(tǒng)共享單個成像器件。
35.根據權利要求31的廣角成像裝置，其中，當把其中光線進入所述反射光學系統(tǒng)的區(qū)域標識為第一成像區(qū)域，以及把其中光線進入所述折射光學系統(tǒng)的區(qū)域標識為第二成像區(qū)域時，由所述成像器件拾取的圖像包括通過占據所述第二成像區(qū)域獲得的圓形圖像和通過占據所述第一成像區(qū)域獲得的、并形成在所述圓形圖像外側的環(huán)形圖像，所述第一成像區(qū)域和所述第二成像區(qū)域互相不重疊，而且所述圓形圖像和所述環(huán)形圖像被連續(xù)設置。
36.根據權利要求31的廣角成像裝置，其中設置一個保護部件，以包圍所述開口部分。
37.根據權利要求36的廣角成像裝置，其中，所述保護部件配置有用于防止內部反射的薄膜。
38.根據權利要求36的廣角成像裝置，其中，所述保護部件基本上為截頭圓錐體狀，而且所述保護部件在所述第一反射表面處的內徑不同于所述保護部件在所述第二反射表面處的內徑。
39.根據權利要求31的廣角成像裝置，其中，所述折射光學系統(tǒng)和所述圖像形成光學系統(tǒng)至少之一具有變焦距功能。
40.根據權利要求31的廣角成像裝置，其中，所述廣角成像裝置可以安裝在物體上，并且安裝角度可以被調整。
41.根據權利要求31的廣角成像裝置，其中，所述廣角成像裝置包括移動物體檢測功能。
42.一種監(jiān)視成像裝置，包括根據權利要求1到30的任何一個的廣角成像光學系統(tǒng)。
43.一種車載成像裝置，包括根據權利要求1到30的任何一個的廣角成像光學系統(tǒng)。
44.一種投影裝置，包括根據權利要求1到30的任何一個的廣角成像光學系統(tǒng)。
全文摘要
一種廣角成像光學系統(tǒng)，包括折射光學系統(tǒng)(3)、反射光學系統(tǒng)以及圖像形成光學系統(tǒng)(5)。反射光學系統(tǒng)包括直接反射來自物體之光線的第一反射表面(1)以及反射來自第一反射表面(1)之光線的第二反射表面(2)。其中在第一反射表面(1)和第二反射表面(2)之間設置開口部分，它允許來自物體的光線進入其中。在第二反射表面(2)中設置透光部分(2a)，用于透過已進入折射光學系統(tǒng)(3)的光線。在第一反射表面(1)中設置開孔(1a)，用于允許來自第二反射表面(2)和折射光學系統(tǒng)(3)的光線進入圖像形成光學系統(tǒng)(5)。
文檔編號G02B27/00GK1585907SQ0282251
公開日2005年2月23日 申請日期2002年11月13日 優(yōu)先權日2001年11月13日
發(fā)明者松木大三郎, 吉川智延, 山本義春 申請人:松下電器產業(yè)株式會社