一種新型半球面和側(cè)面全景成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型半球面和側(cè)面全景成像系統(tǒng)。系統(tǒng)外部為透明外殼，殼內(nèi)置有從物側(cè)到像側(cè)分別前后布置的前成像透鏡組、側(cè)成像透鏡組和凸透鏡，透明外殼的后端連接到成像裝置，成像裝置的側(cè)部設(shè)有用于照明的照明裝置，成像裝置經(jīng)圖像處理裝置與顯示屏連接；前成像透鏡組包括自物側(cè)至像側(cè)同軸依次布置的第一球面透鏡、第二球面透鏡和第三圓形凸透鏡，側(cè)成像透鏡組包括環(huán)形入光面、環(huán)形反射面、圓形反射面和圓形出光面。本發(fā)明系統(tǒng)填補(bǔ)了傳統(tǒng)全景環(huán)視透鏡的固有盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了裝置前方半球面視場(chǎng)和側(cè)方360度圓柱狀視場(chǎng)的無縫連續(xù)成像，適應(yīng)性良好，應(yīng)用廣泛。
【專利說明】
-種新型半球面和側(cè)面全景成像系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種新型半球面和側(cè)面全景成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)前方近半球面視場(chǎng)的 和側(cè)方360度圓柱狀視場(chǎng)的無縫連續(xù)成像。
【背景技術(shù)】
[0002] 全景視覺指的是一次獲得大于半球視場(chǎng)的大視角完整圖像，它對(duì)智能車輛、醫(yī)學(xué) 內(nèi)窺診斷和移動(dòng)機(jī)器人等依賴視覺信息的應(yīng)用行業(yè)具有非常重要的意義。除了應(yīng)用多個(gè)攝 像機(jī)進(jìn)行拼接圖像，目前廣泛使用的全景視覺感知技術(shù)主要是利用全景環(huán)形透鏡和魚眼鏡 頭兩種方法，但是都有各種適用場(chǎng)合及缺點(diǎn)。
[0003] 傳統(tǒng)的全景環(huán)形透鏡利用平面圓圓柱投影法（Flat Cylinder Perspective, FCP)，將圍繞光軸360度的圓圓柱視場(chǎng)投影到成像面的環(huán)形區(qū)域內(nèi)。雖然此種全景透鏡可W 增加視角角度，實(shí)現(xiàn)圍繞光軸360度視場(chǎng)的實(shí)時(shí)成像，但是成像面中屯、的圓形盲區(qū)大大影響 了視場(chǎng)完整性。雖然可W通過縮小全景透鏡前部的圓形反射面和改變透鏡組折射系數(shù)來增 大成像視場(chǎng)，但是運(yùn)兩個(gè)改進(jìn)總是受到現(xiàn)有玻璃的折射系數(shù)和工藝的限制，并會(huì)大幅提高 透鏡的制作成本。目前普通的全景透鏡仍無法克服中屯、盲區(qū)運(yùn)一缺陷。
[0004] 另一種應(yīng)用廣泛的大范圍成像鏡頭為魚眼鏡頭。雖然它可W增加拍攝時(shí)的視角， 得到鏡頭前方接近或等于半球面視場(chǎng)的大視角成像，但是成像會(huì)有不可避免的球形崎變， 影響了系統(tǒng)成像的最終性能，而且拍攝時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到反光的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 有鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種新型半球面和側(cè)面全景成像系統(tǒng)，它 采用一種空間頻分復(fù)用的方法，從物側(cè)到像側(cè)依次包括透明外殼、前成像透鏡組、側(cè)成像透 鏡組、照明裝置、成像裝置、圖像處理裝置和顯示屏，綜合實(shí)現(xiàn)前方半球面視場(chǎng)和側(cè)面360度 范圍實(shí)時(shí)拍攝成像功能。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：
[0007] 本發(fā)明包括成像裝置、圖像處理裝置和顯示屏，還包括透明外殼、前成像透鏡組、 側(cè)成像透鏡組和照明裝置，透明外殼內(nèi)置有從物側(cè)到像側(cè)分別前后布置的前成像透鏡組、 側(cè)成像透鏡組和凸透鏡，透明外殼的后端連接到成像裝置，成像裝置的側(cè)部設(shè)有用于照明 的照明裝置，成像裝置經(jīng)圖像處理裝置與顯示屏連接，前成像透鏡組與側(cè)成像透鏡組之間 通過密接或膠合的方式組合。
[000引所述的前成像透鏡組包括自物側(cè)至像側(cè)同軸依次布置的第一球面透鏡、第二球面 透鏡和第Ξ圓形凸透鏡，第Ξ圓形凸透鏡近像側(cè)的表面涂有第一濾光膜;物側(cè)的光從依次 經(jīng)第一球面透鏡、第二球面透鏡和第Ξ圓形凸透鏡折射后穿過側(cè)成像透鏡組的多表面透 鏡，再通過凸透鏡折射成像到成像裝置的成像面上。
[0009]所述的第一濾光膜僅對(duì)波長55化mW下的光譜全反射，僅允許波長550nmW上的光 譜透過。
[0010] 所述的側(cè)成像透鏡組的多表面透鏡包括環(huán)形入光面、環(huán)形反射面、圓形反射面和 圓形出光面，環(huán)形入光面位于多表面透鏡的前部圓周圍并相接在所述前成像透鏡組末端的 第Ξ圓形凸透鏡邊緣，環(huán)形反射面位于多表面透鏡的前部圓周圍，環(huán)形反射面前端邊緣與 環(huán)形入光面的后端邊緣相接，環(huán)形反射面的內(nèi)表面涂有第二濾光膜，圓形出光面位于多表 面透鏡的后端中屯、，并與環(huán)形反射面的后端邊緣相接，所述的前成像透鏡組的第一濾光膜 作為圓形反射面;物側(cè)的光從環(huán)形入光面入射，經(jīng)環(huán)形反射面反射到圓形反射面再經(jīng)反射 后從圓形出光面出射，出射后通過凸透鏡折射成像到成像裝置的成像面上。
[0011] 物側(cè)的光從環(huán)形入光面入射，經(jīng)環(huán)形反射面反射到圓形反射面再經(jīng)反射后從圓形 出光面出射，出射后通過凸透鏡折射成像到成像裝置的成像面上。
[0012] 第二濾光膜僅對(duì)波長550nmW下的光譜透過。
[0013] 本發(fā)明不同材料組合的透鏡通過膠合或密接方式組合固定。
[0014] 所述的位于成像面后方兩側(cè)的照明裝置功能是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行照明，隨后成像裝置對(duì) 前成像透鏡組與側(cè)成像透鏡組收集到的光譜進(jìn)行成像，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)數(shù)據(jù)傳入圖像 處理裝置。
[0015] 所述的圖像處理裝置通過圖像校正與拼接程序形成整個(gè)無縫全景圖，在顯示屏上 顯示，實(shí)現(xiàn)前方半球面視場(chǎng)和側(cè)面360度范圍圓柱狀視場(chǎng)內(nèi)景物的拍攝成像。
[0016] 本發(fā)明具有的有益效果是：
[0017] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明系統(tǒng)填補(bǔ)了傳統(tǒng)全景環(huán)視透鏡的固有盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了裝置 前方半球面視場(chǎng)和側(cè)方360度圓柱狀視場(chǎng)的無縫連續(xù)成像，最大限度地增大了視野。
[0018] 并且本發(fā)明的適應(yīng)性良好，能很好地滿足管道測(cè)量及醫(yī)學(xué)內(nèi)窺等不同場(chǎng)合下探 巧。、拍攝的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)整體示意圖。
[0020] 圖2是近物側(cè)的前成像透鏡組的透鏡結(jié)構(gòu)光路圖與成像圖。
[0021] 圖3是近像側(cè)的側(cè)成像透鏡組的透鏡結(jié)構(gòu)光路圖與成像圖。
[0022] 圖4是成像面圖像、物空間視場(chǎng)與成像展開圖之間的對(duì)應(yīng)示意圖。
[0023] 圖中：1、第一球面透鏡，2、第二球面透鏡，3、第Ξ圓形凸透鏡，4、環(huán)形入光面，5、環(huán) 形反射面，6、圓形反射面，7、圓形出光面，8、凸透鏡，9、透明外殼，10、照明裝置，11、成像裝 置，12、圖像處理裝置，13、顯示屏，14、第一濾光膜，15、第二濾光膜。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0025] 如圖1所示，本發(fā)明包括成像裝置11、圖像處理裝置12、顯示屏13、透明外殼9、前成 像透鏡組、側(cè)成像透鏡組和照明裝置10,透明外殼9內(nèi)置有沿光路方向從物側(cè)到像側(cè)分別前 后布置的前成像透鏡組、側(cè)成像透鏡組和凸透鏡8,透明外殼9的后端連接到成像裝置11，成 像裝置11的側(cè)部設(shè)有用于照明的照明裝置10,成像裝置11經(jīng)圖像處理裝置12與顯示屏13連 接。
[0026] 系統(tǒng)近物側(cè)部分由透明外殼9W及設(shè)置于外殼內(nèi)的前成像透鏡組組成，如圖2所 示，前成像透鏡組包括自物側(cè)至像側(cè)同軸依次布置的第一球面透鏡1、第二球面透鏡2和第 Ξ圓形凸透鏡3,第一球面透鏡1、第二球面透鏡2和第Ξ圓形凸透鏡3的邊緣緊密相接，相鄰 兩者之間均設(shè)有間隙，第Ξ圓形凸透鏡3近像側(cè)的表面涂有第一濾光膜14;物側(cè)的光從依次 經(jīng)第一球面透鏡1、第二球面透鏡2和第Ξ圓形凸透鏡3折射后穿過側(cè)成像透鏡組，再通過凸 透鏡8折射成像到成像裝置11的成像面上。
[0027]第一濾光膜14僅對(duì)波長550nmW下的光譜全反射，第Ξ圓形凸透鏡3僅對(duì)波長 550nmW上的光譜透過。
[00%]如圖3所示，側(cè)成像透鏡組的多表面透鏡包括環(huán)形入光面4、環(huán)形反射面5、圓形反 射面6和圓形出光面7,環(huán)形入光面4位于多表面透鏡的前部圓周圍并相接在所述前成像透 鏡組末端的第Ξ圓形凸透鏡3邊緣，環(huán)形反射面5位于多表面透鏡的前部圓周圍，環(huán)形反射 面5前端邊緣與環(huán)形入光面4的后端邊緣相接，環(huán)形反射面5的內(nèi)表面涂有第二濾光膜15,圓 形出光面7位于多表面透鏡的后端中屯、，并與環(huán)形反射面5的后端邊緣相接，所述的前成像 透鏡組的第一濾光膜14作為圓形反射面6;物側(cè)的光從環(huán)形入光面4入射，經(jīng)環(huán)形反射面5反 射到圓形反射面6再經(jīng)反射后從圓形出光面7出射，出射后通過凸透鏡8折射成像到成像裝 置11的成像面上。
[0029] 本發(fā)明中，側(cè)成像透鏡組中的多表面透鏡滿足W下非球面公式：
[0030]
[0031] 其中，Z為W各非球面與光軸的交點(diǎn)為起點(diǎn)、垂直光軸方向的軸向值，r為透鏡表面 的高度，C為非球面頂點(diǎn)的曲率，k為二次曲面系數(shù)，曰2，曰4，曰6，曰8，曰10，曰12和曰1期為非球面系 數(shù)，ds為高次非球面頂點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)之間偏離量。
[0032] 前成像透鏡組實(shí)現(xiàn)對(duì)成像裝置前方的近半球形視場(chǎng)的實(shí)時(shí)成像，側(cè)成像透鏡組實(shí) 現(xiàn)對(duì)成像系統(tǒng)側(cè)方360度圓柱狀視場(chǎng)內(nèi)的景物成像，由此本發(fā)明實(shí)現(xiàn)前方半球面視場(chǎng)和側(cè) 面360度范圍實(shí)時(shí)拍攝成像功能。
[0033] 本發(fā)明的具體實(shí)施例及其實(shí)施過程如下：
[0034] 1)如圖1所示，將前成像透鏡組與側(cè)成像透鏡組W密接或膠合方式連接放置于透 明外殼內(nèi)，水平中軸線對(duì)齊，在成像面安裝照明裝置與成像裝置，并與圖像處理裝置和顯示 屏依次連接。本實(shí)施例提出了所用透鏡的相關(guān)參數(shù)，W使技術(shù)人員能更加清楚地知曉本系 統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。其中α = 180°，β = 40°，具體透鏡參數(shù)如下表：
[0035] 表1前成像透鏡組透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0036]
[0040] 2)如圖2所示，對(duì)于由泌所代表的、繞水平中軸線旋轉(zhuǎn)360度W內(nèi)的錐形角度范圍 內(nèi)的光線，依次經(jīng)過近物側(cè)的前成像透鏡組的第一球面透鏡、第二球面透鏡和第Ξ圓形凸 透鏡的折射匯聚，其中波長大于550nm的光譜可透過濾光膜A，經(jīng)過側(cè)成像透鏡組在成像面 聚焦成像，形成成像面中屯、的圓形圖像(即為深色圓形部分）。
[0041] 3)如圖3所示，對(duì)于α角的兩條邊繞水平中軸線旋轉(zhuǎn)360度W內(nèi)的成像光線，其中波 長小于550nm的光譜可透過濾光膜Β，由側(cè)成像透鏡組的環(huán)形入光面4進(jìn)入，經(jīng)與環(huán)形反射面 5反射后，再由圓形反射面6全反射，從圓形出光面7透射而出，最后凸透鏡則尋所成的虛像聚 焦于成像面形成圓環(huán)（即為淺色圓環(huán)部分）。
[0042] 4)不在過程2)和3)描述的角度內(nèi)的光譜都不進(jìn)入本成像系統(tǒng)內(nèi)，被折射或反射離 開，不參與成像。
[0043] 5)位于成像面后方兩側(cè)的照明裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行照明。成像裝置采集成像面的光學(xué) 圖像，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)數(shù)據(jù)傳入圖像處理裝置。
[0044] 6)在圖像處理裝置內(nèi)通過圖像校正與拼接程序，將前方近半球形視場(chǎng)和側(cè)方圓柱 狀視場(chǎng)的圖像拼接形成整個(gè)無縫全景圖，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏進(jìn)行顯示。成像面所成 圖像與物空間的裝置前方半球面視場(chǎng)、側(cè)面圓柱狀視場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，W及物空間與成像展 開圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。
[0045] 由實(shí)施例可見，本發(fā)明其技術(shù)效果顯著突出，最大限度地實(shí)現(xiàn)了前方半球面視場(chǎng) 和側(cè)方360度圓柱狀視場(chǎng)的無縫連續(xù)成像，增大了視野，并填補(bǔ)了傳統(tǒng)全景成像的固有盲 區(qū)，具有很好的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種新型半球面和側(cè)面全景成像系統(tǒng)，包括成像裝置（11)、圖像處理裝置（12)和顯 示屏（13)，其特征在于：還包括透明外殼（9)、前成像透鏡組、側(cè)成像透鏡組和照明裝置 (10) ，透明外殼(9)內(nèi)置有從物側(cè)到像側(cè)分別前后布置的前成像透鏡組、側(cè)成像透鏡組和凸 透鏡（8)，側(cè)成像透鏡組為一塊具有多表面的透鏡，透明外殼（9)的后端連接到成像裝置 (11) ，成像裝置（11)的側(cè)部設(shè)有用于照明的照明裝置（10)，成像裝置（11)經(jīng)圖像處理裝置 (12) 與顯示屏（13)連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型半球面和側(cè)面全景成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的前 成像透鏡組包括自物側(cè)至像側(cè)同軸依次布置的第一球面透鏡（1)、第二球面透鏡(2)和第三 圓形凸透鏡(3)，第三圓形凸透鏡(3)近像側(cè)的表面涂有第一濾光膜（14);物側(cè)的光從依次 經(jīng)第一球面透鏡（1)、第二球面透鏡(2)和第三圓形凸透鏡(3)折射后穿過側(cè)成像透鏡組的 多表面透鏡，再通過凸透鏡(8)折射成像到成像裝置(11)的成像面上。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型半球面和側(cè)面全景成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的第 一濾光膜（14)僅對(duì)波長550nm以下的光譜全反射，并使得第三圓形凸透鏡（3)僅允許波長 550nm以上的光譜透過。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型半球面和側(cè)面全景成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的側(cè) 成像透鏡組的多表面透鏡包括環(huán)形入光面(4)、環(huán)形反射面(5)、圓形反射面(6)和圓形出光 面(7)，環(huán)形入光面(4)位于多表面透鏡的前部圓周圍并相接在所述前成像透鏡組末端的第 三圓形凸透鏡(3)邊緣，環(huán)形反射面(5)位于多表面透鏡的前部圓周圍，環(huán)形反射面(5)前端 邊緣與環(huán)形入光面(4)的后端邊緣相接，環(huán)形反射面(5)的內(nèi)表面涂有第二濾光膜（15)，圓 形出光面(7)位于多表面透鏡的后端中心，并與環(huán)形反射面(5)的后端邊緣相接，所述的前 成像透鏡組的第一濾光膜（14)作為圓形反射面(6);物側(cè)的光從環(huán)形入光面(4)入射，經(jīng)環(huán) 形反射面(5)反射到圓形反射面(6)再經(jīng)反射后從圓形出光面(7)出射，出射后通過凸透鏡 (8)折射成像到成像裝置(11)的成像面上。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型半球面和側(cè)面全景成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的第 二濾光膜(15)僅對(duì)波長550nm以下的光譜透過。
【文檔編號(hào)】G03B37/00GK105824184SQ201610246822
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年4月18日
【發(fā)明人】谷之韜, 皇甫江濤
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)