專利名稱：集成的全景和前向光學(xué)裝置、系統(tǒng)以及全向信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全向光學(xué)系統(tǒng)的領(lǐng)域。該光學(xué)系統(tǒng)由無(wú)縫地集成在單一平面上的全景和前向兩條路徑組成。全部視場(chǎng)由前向視場(chǎng)和全景視場(chǎng)組成。
背景技術(shù)：
有許多提供全向成像的光學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明具有一些獨(dú)特的特性，其不被任何現(xiàn)有技術(shù)所包含，并且總體上說(shuō)為成像系統(tǒng)和全向光學(xué)元件提供獨(dú)特的新能力。Jeffrey Charles具有幾個(gè)關(guān)于該主題的美國(guó)專利，包括US6333826和US6449103，BeHere Corporation具有幾個(gè)美國(guó)專利，包括US6392687、US6424377和US6480229，以及Remote Reality具有的美國(guó)專利6611282。
Jeffrey Charles的專利只集中在全景視場(chǎng)，并致力于使用于近場(chǎng)應(yīng)用的視場(chǎng)最大化。Charles的專利包括通過(guò)利用超環(huán)(torroidal)形反射器接近遠(yuǎn)場(chǎng)逐漸變細(xì)的大約60度的前面排除區(qū)域。雖然該排除區(qū)域最終消失成為全景區(qū)域邊界會(huì)合的一個(gè)點(diǎn)，但是這對(duì)于越過(guò)在圖像的處理或判讀中所會(huì)聚的點(diǎn)的重疊區(qū)域的專利是沒(méi)有任何用的。包含前向光學(xué)器件以對(duì)該前面排除區(qū)域成像的較少公開沒(méi)有提到如何去匹配結(jié)合的圖像的放大率或相對(duì)F/#的細(xì)節(jié)。也不存在判讀或處理重疊圖像的手段。僅包括的前向取景鏡頭并不能自動(dòng)地使其得到容易地可判讀的圖像。該光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)位于重疊之前的近場(chǎng)。雖然這里提供包括前向取景光學(xué)器件來(lái)對(duì)前方排除區(qū)域成像，但是這也僅是其中前方區(qū)域和全景區(qū)域不存在間隙或不存在重疊的一個(gè)點(diǎn)(或一個(gè)徑向距離)。
BeHere技術(shù)同樣集中在全景視場(chǎng)上并只通過(guò)改變反射器的形狀盡可能地將全景盡可能遠(yuǎn)地延伸。通過(guò)在拋物面反射器的頂點(diǎn)放置凹坑(dimple)，可在遠(yuǎn)場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超越次級(jí)反射器的成像。這些發(fā)明沒(méi)有提供用于在近場(chǎng)進(jìn)行前向成像的手段。
Remote Reality的發(fā)明是利用兩個(gè)反射器構(gòu)造聲稱達(dá)到260°垂直視場(chǎng)的超寬角度全景成像裝置。該發(fā)明包括沿著光軸未定義的盲點(diǎn)。雖然具有大致平坦和消像散的像平面，但是該發(fā)明要求單個(gè)觀察點(diǎn)。
下面是上述每個(gè)專利的一些主要細(xì)節(jié)。
Jeffrey R.Charles的US6333826Omniramic Optical SystemHaving Central Coverage Means Which Is Associated With a Camera，Projector or Similar Article·一個(gè)或兩個(gè)反射器實(shí)施例·兩個(gè)反射器實(shí)施例產(chǎn)生前方排除區(qū)域～60度·產(chǎn)生環(huán)形圖像·利用超環(huán)形初級(jí)反射器以使得前方排除區(qū)域的最小化·實(shí)現(xiàn)具有三角形前方排除區(qū)域、超越點(diǎn)、環(huán)形圖像中的重疊的遠(yuǎn)場(chǎng)成像·說(shuō)明書中的公開(第26列，第57行-第27列，第9行)只在次級(jí)反射鏡透明區(qū)域前面使用附加透鏡來(lái)對(duì)大于或等于前方排除區(qū)域的區(qū)域成像，以產(chǎn)生同心圖像·重疊圖像以產(chǎn)生3D信息·焦點(diǎn)環(huán)形圖像邊緣的最大化，前方排除區(qū)域的最小化，遠(yuǎn)場(chǎng)成像，區(qū)域的重疊以產(chǎn)生3-D圖像信息Jeffrey R.Charles的US6449103Solid Catadioptric OmnidirectionalOptical System Having Central Coverage Means Which is Associatedwith a Camera，Projector，Medical Instrument or Similar Article·具有初級(jí)和次級(jí)內(nèi)反射器和作為凸折射面的外表面的固體光學(xué)基底·初級(jí)反射器的形狀和外折射面的結(jié)合允許對(duì)所述光學(xué)系統(tǒng)前方的有限距離的點(diǎn)成像-從而只允許遠(yuǎn)場(chǎng)成像-但是同樣受到那個(gè)有限點(diǎn)之外的圖像重疊
·可能是非常難以至是不可能制造的凸起折射面的目的是延伸全景視場(chǎng)的邊緣·權(quán)利要求31-36涉及具有初級(jí)和次級(jí)內(nèi)反射器的固體光學(xué)基底，其中次級(jí)反射器具有帶有凹表面或透鏡的透明中心區(qū)域，以對(duì)中心排除區(qū)域成像BeHere Corp.的US6392687Method and Apparatus forImplementing a Panoptic Camera System·兩個(gè)反射器的設(shè)計(jì)·由在頂點(diǎn)具有凹坑的拋物面形狀組成的主反射器，使得該主反射器可以采集來(lái)自第二反射器后面的光線·描述兩個(gè)在一起的照相機(jī)以看見(jiàn)整個(gè)球面和立體視覺(jué)展示全景的照相機(jī)·類似于Charle的專利，仍然保留了一個(gè)剛剛超出次級(jí)反射器的不可見(jiàn)區(qū)域BeHere Corp.的US6424377Panoramic Camera·單個(gè)反射器設(shè)計(jì)-反射鏡為拋物面圓錐形·包括成像照相機(jī)、像散校正透鏡、場(chǎng)整平透鏡和物鏡·在同一平面上形成鑲嵌圖案的多個(gè)傳感器以實(shí)現(xiàn)所需要的分辨率·替換的實(shí)施例的2個(gè)反射器設(shè)計(jì)-容納在拋物面反射鏡內(nèi)的照相機(jī)·替換的實(shí)施例的單個(gè)或2個(gè)反射器設(shè)計(jì)，而拋物面反射器是具有折射性能的透明材料的彎曲塊的內(nèi)表面·包括轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)的環(huán)形圖像顯示技術(shù)·要求用于采集全景圖像的裝置·要求具有拋物面的第一反射器和與反射鏡上的入射角線性地成比例的光采集的裝置BeHere Corporation的US6480229Panoramic Camera·結(jié)合有分束器的單個(gè)反射器凸起的反射鏡以發(fā)送環(huán)形圖像到兩個(gè)不同的電子圖像采集設(shè)備
·替換的實(shí)施例2個(gè)反射器設(shè)計(jì)-容納在拋物面反射鏡內(nèi)的照相機(jī)，替換的實(shí)施例的單個(gè)和2個(gè)反射器設(shè)計(jì)，而拋物面反射器是具有折射性能的透明材料的彎曲塊的內(nèi)表面·包括轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)的環(huán)形圖像顯示技術(shù)Remote Reality的US6611282Super Wide-Angle PanoramicImaging Apparatus·兩個(gè)反射器構(gòu)造，初級(jí)反射器是雙曲面而次級(jí)反射器是凹面·實(shí)現(xiàn)達(dá)到260°垂直視場(chǎng)，該視場(chǎng)包括沿著光軸直接位于次級(jí)反射器后面的未定義的盲點(diǎn)·要求圖像是沒(méi)有場(chǎng)曲效應(yīng)和像散效應(yīng)的·次級(jí)反射器是橢球體或球面反射器·替換的實(shí)施例包括容納在固體光學(xué)塊內(nèi)的反射元件·圖像可映射到笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)其他限定本領(lǐng)域的一般狀態(tài)而不是特別相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)包括Wasson等人的US6621516 Panoramic Pipe Inspector；Geng的US6744569 Method and Apparatus for Omnidirectional 3-D Imaging；Garcia的US6789908 Confocal Ellipsoidal Mirror System for Wide Fieldof View Imaging；Luken等人的US6791598 Methods and Apparatus forInformation Capture and Stereoscopic Display of Panoramic Images；Kumata等人的US6793356 an Omnidirectional Vision Sensor；Gao等人的US6809887 an Apparatus and Method for AcquiringUniform-Resolution Panoramic Images；以及Mojaver等人的US6833843 a Panoramic Imaging and Display System With CanonicalMagnifier。

發(fā)明內(nèi)容
這里公開的用于全向信號(hào)處理的裝置、系統(tǒng)和方法的目的是提供一種集成的全景/前向觀看的成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)將共面全向圖像傳送到圖像顯示和/或記錄裝置。本發(fā)明由兩條結(jié)合在單個(gè)像平面上的光路系統(tǒng)組成。這種設(shè)備、系統(tǒng)和方法實(shí)現(xiàn)了前向圖像和全景圖像之間匹配的放大倍率，相對(duì)無(wú)縫的不具有重疊或盲點(diǎn)的邊界，以及近似270度垂直(前向)大約整個(gè)360度圓周的全視場(chǎng)。本發(fā)明可以用于作為桿上安裝或地面安裝系統(tǒng)或在獨(dú)立單元中實(shí)施的監(jiān)視應(yīng)用。該光學(xué)系統(tǒng)可被小型化以實(shí)施成內(nèi)窺鏡和管道鏡，或可替換地被放大以實(shí)施成管檢查或其他大規(guī)模檢查。本發(fā)明的可替換的非成像實(shí)施例可用于作為全向光學(xué)天線的光學(xué)自由空間通信。
特別地，公開了一種集成了前向和全景場(chǎng)的裝置、系統(tǒng)和方法，包括初級(jí)反射器，該初級(jí)反射器包括相對(duì)于前向場(chǎng)的凸面，其在至少一部分凸面上發(fā)生反射；次級(jí)反射器，相對(duì)于前向場(chǎng)來(lái)說(shuō)，該次級(jí)反射器位于該初級(jí)反射器的前方，其在面對(duì)后面的其至少一部分表面上朝向該初級(jí)反射器反射；該初級(jí)反射器中的初級(jí)反射器孔，該孔大致以該設(shè)備的光軸為中心；以及該次級(jí)反射器中的次級(jí)反射器孔，該孔大致以光軸為中心。
附圖簡(jiǎn)述本發(fā)明的確信為新的特征將在附加的權(quán)利要求中陳述。然而，通過(guò)參考下面的描述結(jié)合以下主要附圖，本發(fā)明連同其他目的以及它們的優(yōu)點(diǎn)將可以被最好地理解。


圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的二維平面圖；圖2示出了在所述優(yōu)選實(shí)施例中的光學(xué)系統(tǒng)的全景部件的光線跟蹤的二維示意圖；圖3是利用本發(fā)明可得到的視場(chǎng)的示意圖；圖4描繪了采集到的圖像在像平面上的投影；圖5是作為用于非成像應(yīng)用的遠(yuǎn)焦光學(xué)系統(tǒng)的本發(fā)明替換實(shí)施例的二維示意圖，光線跟蹤類似于發(fā)生在成像實(shí)施例中的光線跟蹤；圖6是包括方向變焦能力的替換實(shí)施例的二維示意圖。
發(fā)明詳述目的和應(yīng)用這里所公開的裝置、系統(tǒng)和方法被配置成實(shí)現(xiàn)盡可能寬的視場(chǎng)，包括后視能力同時(shí)具有最小化的畸變。其不依賴于搖攝全景和俯仰拍攝機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的寬視場(chǎng)、非移動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)典型地由魚眼光學(xué)系統(tǒng)組成。魚眼光學(xué)系統(tǒng)的畸變過(guò)大以致于它們不適于很多成像應(yīng)用?；兪怯捎谠竭^(guò)整個(gè)視場(chǎng)的光線的不均勻的折射產(chǎn)生的。由于光學(xué)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)用于使得視場(chǎng)最大化，所以視場(chǎng)邊界通常呈現(xiàn)出遠(yuǎn)大于視場(chǎng)中心區(qū)域的畸變。在替換的全景成像光學(xué)系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)提供對(duì)周邊成像的手段，但通常也不是成像器前方的整個(gè)半球。存在提供周邊成像的單個(gè)和雙重反射器光學(xué)系統(tǒng)，但是缺少前向成像。搖攝全景(pan)和俯仰拍攝(tilt)的光學(xué)系統(tǒng)提供覆蓋相同視場(chǎng)的手段，但是需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)并且不能在像平面的單個(gè)實(shí)例中提供整個(gè)視場(chǎng)區(qū)域。對(duì)于許多應(yīng)用，缺少整個(gè)視場(chǎng)的恒定取景或者需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)是不能接受的。這個(gè)公開具有包括但不限于監(jiān)視、安全監(jiān)控、工業(yè)檢查和醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡檢查的應(yīng)用。
光學(xué)系統(tǒng)將參考附圖1和2描述這里公開的基本構(gòu)造。圖1示出了全向光學(xué)系統(tǒng)100的布置而圖2示出了通過(guò)該系統(tǒng)的光路。該全向光學(xué)系統(tǒng)100包括初級(jí)反射器102，次級(jí)反射器104，前向成像透鏡組106，聚焦透鏡組108，像平面110，所有的都相對(duì)于所示的光軸112定位。圖3中描述了通過(guò)全向光學(xué)系統(tǒng)100成像的視場(chǎng)。全向光學(xué)系統(tǒng)100的總視場(chǎng)包括被全景視場(chǎng)320所無(wú)縫限定的前向視場(chǎng)318，該全景視場(chǎng)320可以包括顯著的背面角度視場(chǎng)322。
如所描繪的，初級(jí)反射器102包括相對(duì)于前向場(chǎng)的凸表面，如通過(guò)102的前方邊緣上的實(shí)弧線所示的在所述凸表面的至少部分上發(fā)生反射。如所描繪的，相對(duì)于前向場(chǎng)，次級(jí)反射器104位于初級(jí)反射器的前方，在其面對(duì)后面的表面的至少一部分上對(duì)朝向所述初級(jí)反射器發(fā)生反射，如通過(guò)104的后部邊緣上的實(shí)線所示。如所描繪的，前向成像透鏡組106包括至少一個(gè)場(chǎng)聚集元件(例如，透鏡)，相對(duì)于前向場(chǎng)，該收集元件位于次級(jí)反射器104的前方并大致以光軸112為中心。同樣，如所描繪的，聚焦透鏡組108包括至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件(即透鏡)，相對(duì)于前向場(chǎng)，該聚焦元件位于初級(jí)反射器102的后方并大致以光軸112為中心。
在優(yōu)選實(shí)施例中，初級(jí)反射器102具有大致球面的幾何結(jié)構(gòu)，具有穿過(guò)以光軸112為中心的中心頂點(diǎn)的初級(jí)反射器孔114。初級(jí)反射器102的幾何結(jié)構(gòu)(曲率半徑)和初級(jí)反射器孔114的直徑都用于控制光學(xué)系統(tǒng)100的全部整個(gè)視場(chǎng)并同樣能實(shí)現(xiàn)前向視場(chǎng)318和全景視場(chǎng)320之間的整個(gè)視場(chǎng)的平衡。例如，并非是限制性的，孔直徑與反射球形表面的比例大約為1∶4.2，盡管該比例可根據(jù)特殊需要的應(yīng)用而不同。本實(shí)施例中初級(jí)反射器102的曲率半徑是20.102mm，但是，同樣，該半徑可以根據(jù)應(yīng)用而不同。初級(jí)反射器102的球形幾何結(jié)構(gòu)首先需要簡(jiǎn)單的制造和低的生產(chǎn)成本。
當(dāng)需要特殊應(yīng)用時(shí)，更難于制造的諸如拋物面幾何結(jié)構(gòu)的更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)可被作為替換而結(jié)合。替換的實(shí)施例包括具有這種替換的凸起幾何結(jié)構(gòu)的初級(jí)反射器102，仍然包括沿著光軸112的初級(jí)反射器孔114。在這種替換的實(shí)施例中，初級(jí)反射器102是能形成中心全景反射折射圖像的凸雙曲線或凸拋物線反射器。聚焦透鏡組108導(dǎo)致的最小畸變可由來(lái)自拋物線或雙曲線的初級(jí)反射器102的校正彎曲光焦度(correct bending power)來(lái)補(bǔ)償。這種替換實(shí)施例消除了當(dāng)將易于制造的球形幾何結(jié)構(gòu)用于初級(jí)反射器102時(shí)存在的最小畸變像差。
在優(yōu)選實(shí)施例中，次級(jí)反射器104具有大致平坦或平面的幾何結(jié)構(gòu)，具有以光軸112為中心的次級(jí)反射器孔116。如所說(shuō)明的，次級(jí)反射器104相對(duì)于前向場(chǎng)(即，相對(duì)于像平面110)定位在初級(jí)反射器102的前方并大致沿著光軸112為中心。次級(jí)反射器104的位置、次級(jí)反射器104的幾何結(jié)構(gòu)和次級(jí)反射器孔116的直徑有助于各前向和全景視場(chǎng)(分別是318和320)的邊界的定義。具體的說(shuō)，這些參數(shù)有助于全景視場(chǎng)320的前向邊界和前向視場(chǎng)318的后方邊界的定義。次級(jí)反射器孔116的直徑與用于初級(jí)反射器102的反射表面直徑的比例在本圖示中大約為1∶2.86，但是該比例也可相對(duì)于特殊需要的應(yīng)用而不同。平面反射器幾何結(jié)構(gòu)易于制造。諸如凹或凸的用于次級(jí)反射器104的替換幾何結(jié)構(gòu)可用于設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)以滿足特殊視場(chǎng)或分辨率需要。替換的實(shí)施例包括具有這種替換的凸或凹幾何結(jié)構(gòu)的次級(jí)反射器104，仍然包括沿著光軸112的次級(jí)反射器孔116。
圖2具體描述了通過(guò)全向光學(xué)系統(tǒng)100的全景和前向部件的光線路徑。為了示圖的簡(jiǎn)單，全景光線路徑只示出在圖2的左側(cè)而前向光線路徑示出在右側(cè)。這也僅是為了說(shuō)明，因?yàn)榍跋蚝腿肮饩€是從所有方向處理的。同時(shí)參考圖3，圖2詳細(xì)描述的是在全景視場(chǎng)320的后方邊界末端沿著路徑214入射的光線。來(lái)自前方但是沿著周邊的光線216沿著路徑到達(dá)初級(jí)反射器102，然后被反射到次級(jí)反射器104，隨后再次沿著光軸112被反射通過(guò)初級(jí)反射器孔114。然后，穿過(guò)聚焦透鏡組108和像平面110，參見(jiàn)圖1。相似地，后方邊界光線214沿著從邊緣到初級(jí)反射器102的路徑傳到次級(jí)反射器104，并通過(guò)初級(jí)反射器孔114到達(dá)聚焦透鏡組108和像平面110上，再次參見(jiàn)圖1。在圖2的右側(cè)，前向光線215的路徑是沿著穿過(guò)在其內(nèi)被折射的前方成像透鏡組106，然后穿過(guò)次級(jí)反射器孔116，穿過(guò)初級(jí)反射器孔114，穿過(guò)聚焦透鏡組108并到達(dá)像平面110的路徑。
初級(jí)反射器102和次級(jí)反射器104兩者集成的功能在于確保前向視場(chǎng)318和全景視場(chǎng)320之間的無(wú)縫邊界。初級(jí)和次級(jí)反射器102、104的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸限定了全景視場(chǎng)320的邊界，并正好與前向視場(chǎng)318的邊界相匹配，既無(wú)重疊也無(wú)間隙。此外，初級(jí)和次級(jí)反射器102、104的幾何結(jié)構(gòu)限定了全景視場(chǎng)320的F/#1。F/#可被理解成在像平面110上存在的合成圖像中的亮度和光學(xué)系統(tǒng)的速度。通過(guò)使僅是全景光學(xué)系統(tǒng)(初級(jí)反射器102加上次級(jí)反射器104)的F/#和僅是前向光學(xué)系統(tǒng)(前向成像透鏡組106)的F/#相匹配，就在像平面110上的整個(gè)圖像上呈現(xiàn)一致的亮度。
前向成像透鏡組106被設(shè)計(jì)成匯聚前向視場(chǎng)318并通過(guò)聚焦透鏡組108將其傳輸?shù)较衿矫?10，使得照射到像平面110的圖像以最小間隙或重疊獲得視場(chǎng)318、320和322的平滑、集成的顯示。選擇的給定用途的前向成像透鏡組106限定了前向視場(chǎng)318的邊界并同樣也1該表達(dá)式表示透鏡的等效焦距與其入射光瞳的直徑的比，參見(jiàn)，例如，http//www.photonics.com/dictionary/lookup/XQ/ASP/url.lookup/entrynum.5806/letter.f/pu./QX/lookup.htm限定了前向視場(chǎng)318的F/#。在優(yōu)選實(shí)施例中，前向視場(chǎng)318橫跨大約80度，圍繞光軸112+/-40度。前向成像透鏡組106相對(duì)于像平面110直接設(shè)置在次級(jí)反射器104之后(即，相對(duì)于前向視場(chǎng)直接位于次級(jí)反射器104的前方)，并大致以光軸112為中心。在優(yōu)選實(shí)施例中，前向透鏡組106中的透鏡元件是由諸如BK7的常用光學(xué)材料制造的球形光學(xué)部件。球形光學(xué)器件和常用材料的使用可以降低生產(chǎn)成本和性價(jià)比比較高地實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。當(dāng)然，其他本領(lǐng)域已知的或?qū)⒁蔀橐阎暮线m的場(chǎng)匯聚元件也可以適于給定用途的透鏡組106。
聚焦透鏡組108沿著光軸112為中心并設(shè)置在初級(jí)反射器102和像平面110之間。該聚焦透鏡組108匯聚來(lái)自次級(jí)反射器104的全景視場(chǎng)320和來(lái)自前向成像透鏡組106的前向視場(chǎng)318，作為合成的圖像。聚焦透鏡組108的作用是將來(lái)自全景視場(chǎng)320和前向視場(chǎng)318的兩條獨(dú)立光路聚焦到單個(gè)像平面110上并控制在該共面圖像上的圖像像差。換句話說(shuō)，通常，初級(jí)反射器102的幾何結(jié)構(gòu)和直徑、次級(jí)反射器104的幾何結(jié)構(gòu)、初級(jí)反射器孔114的直徑、次級(jí)反射器孔116的直徑、前向成像透鏡組106的特殊光學(xué)性能，和聚焦透鏡組108的特殊光學(xué)性能，以及這些不同元件沿著光軸112彼此之間的間距，結(jié)合成自由參數(shù)以精確地確定將何種類型的圖像傳輸?shù)较衿矫?10，并且根據(jù)特定用途而改變。
在優(yōu)選實(shí)施例中，初級(jí)反射器102將聚焦透鏡組108的一部分設(shè)置在其反射表面下的凹部中。在優(yōu)選實(shí)施例中，聚焦透鏡組108中的透鏡元件是由諸如BK7的常用光學(xué)材料制造的球形光學(xué)部件。球形光學(xué)器件和常用材料的使用可以降低生產(chǎn)成本和以高的性價(jià)比來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。當(dāng)然，其他本領(lǐng)域已知的或?qū)⒁蔀橐阎暮线m的聚焦元件也適于用于給定用途的透鏡組108。
圖像/檢測(cè)平面前向視場(chǎng)318和全景視場(chǎng)320被集成在單一圖像/檢測(cè)平面110上以被作為單一圖像顯示。圖4示出了像平面110上的具有前向視場(chǎng)318和全景視場(chǎng)320的共面顯示的合成圖像的概略顯示。該共面單一圖像提供了用于對(duì)需要搖攝和俯仰拍攝以覆蓋相同的整個(gè)視場(chǎng)的成像系統(tǒng)后處理不可用的多種選擇。可以應(yīng)用圖像處理技術(shù)來(lái)將合成的圖像再映射到像平面110上并將其以各種格式提供給用戶。像平面110是前向視場(chǎng)318和全景視場(chǎng)320的共面集成的焦點(diǎn)。如圖4中所示，一起同心地提供前向視場(chǎng)318與全景視場(chǎng)320。雖然在圖3的示意圖中說(shuō)明了前向視場(chǎng)318和全景視場(chǎng)320之間的邊界，但這只是說(shuō)明前向成像透鏡組106匯聚的圖像和初級(jí)反射器102匯聚的圖像之間的不同。實(shí)際上，全向光學(xué)系統(tǒng)100在視場(chǎng)之間的邊界不明顯的像平面110上產(chǎn)生連續(xù)、合成的圖像。該像平面110優(yōu)選地包括可見(jiàn)光或近紅外光學(xué)/成像探測(cè)器，例如CCD或CMOS照相機(jī)或探測(cè)器。雖然這只是示例性的并不具有任何限制，但是優(yōu)選實(shí)施例被優(yōu)化為集成有640×480的輸出文件大小的1/3″格式傳感器。替換的實(shí)施例是為不同尺寸和分辨率的可見(jiàn)光和近紅外傳感器而優(yōu)化的。在本公開及其附加權(quán)利要求的范圍內(nèi)，該傳感器可以是模擬或數(shù)字的，并能從大約160×120像素的最低分辨率到最高分辨率，該最高分辨率在此時(shí)是大于6兆像素的陣列并且在將來(lái)可以增加。
視場(chǎng)如圖3所示，示意性實(shí)施例提供了具有延伸到最大270度豎直地(向前)和360度圓周的基本上超半球形(hyper-hemispherical)視場(chǎng)的全向光學(xué)系統(tǒng)100。該視場(chǎng)是通過(guò)在單個(gè)像平面110上無(wú)縫地集成前向視場(chǎng)318和全景視場(chǎng)320來(lái)實(shí)現(xiàn)的。前向視場(chǎng)318和全景視場(chǎng)320是非重疊的并且它們之間沒(méi)有盲點(diǎn)或間隙。前向視場(chǎng)318和全景視場(chǎng)320的邊界相對(duì)平行；特別地，它們漸漸地會(huì)聚并最終重疊。前向視場(chǎng)318總共延伸大約80度(離開光軸+/-40度)。全景視場(chǎng)320延伸大約95度(水平線上50度和水平線下45度)。在前向視場(chǎng)318和全景視場(chǎng)320之間放大率和F/#相匹配。因此，在像平面110上形成的圖像看上去連續(xù)而沒(méi)有亮度和尺寸上的不同，并且在無(wú)縫邊界處沒(méi)有畸變。初級(jí)反射器102和次級(jí)反射器104的幾何結(jié)構(gòu)限定了全景視場(chǎng)320的范圍。類似地，前向成像透鏡組106的光學(xué)設(shè)計(jì)限定了前向視場(chǎng)318的范圍。前向視場(chǎng)318和全景視場(chǎng)320的每一個(gè)范圍都可被設(shè)計(jì)成符合其中使用了全向光學(xué)系統(tǒng)100的應(yīng)用的確切規(guī)格。
尺寸和材料本發(fā)明已經(jīng)試驗(yàn)地證明了對(duì)于可見(jiàn)光圖像優(yōu)化的全向光學(xué)系統(tǒng)100具有大約40mm直徑和62.5mm高度。本發(fā)明的公開可以依比例決定直徑以適應(yīng)不同的用途需要。試驗(yàn)上，對(duì)于內(nèi)窺鏡/管道鏡應(yīng)用，直徑已經(jīng)依比例確定為2.7mm。材料的確切規(guī)格隨用途而定。但是，例如，但不是限定的，優(yōu)選實(shí)施例包括具有保護(hù)的鋁涂層的BK7玻璃的初級(jí)反射器102，由拋光鋁制成的次級(jí)反射器104，以及由其上沉積了抗反射涂層的標(biāo)準(zhǔn)玻璃制成的前向成像透鏡組106和聚焦透鏡組108中的所有光學(xué)元件。
替換實(shí)施例除了上面所列的與各個(gè)部件規(guī)格和對(duì)應(yīng)用定制相關(guān)的替換實(shí)施例以外，現(xiàn)在將討論其他實(shí)施例。一種替換實(shí)施例包括為了集成用于熱或遠(yuǎn)紅外成像的紅外成像傳感器而優(yōu)化的，諸如但不限于非冷卻微輻射計(jì)或焦平面陣列的全向光學(xué)系統(tǒng)100。該探測(cè)器/傳感器嵌入光學(xué)系統(tǒng)100的像平面110。被傳輸和處理的信號(hào)中的波長(zhǎng)差需要具有不同光學(xué)性能的不同光學(xué)材料和為微輻射計(jì)尺寸和分辨率優(yōu)化的系統(tǒng)。此時(shí)，紅外非冷卻微輻射計(jì)的最高分辨率為320×240像素。具體的說(shuō)，光學(xué)材料中明顯的變化對(duì)說(shuō)明電磁波譜的紅外譜帶來(lái)說(shuō)是必需的。在該實(shí)施例中，初級(jí)反射器102和次級(jí)反射器104優(yōu)選為鍍金的。這是IR反射涂層的標(biāo)準(zhǔn)并且可從光學(xué)制造中廣泛地得到。用于前向成像透鏡組106和聚焦透鏡組108中的光學(xué)元件的材料的選擇包括，但不限于，硒化鋅(ZnSe)，氯化鈉(NaCl)和溴化銫(CsBr)。
本發(fā)明其他的替換實(shí)施例是全向光學(xué)系統(tǒng)在用于全向自由空間通信的非成像用途中的實(shí)施。在圖5中描述了該替換實(shí)施例，雖然指出圖5所示的光線路徑和元件的整體結(jié)合以如圖1中相同的方式構(gòu)造，但是在該實(shí)施例中全向光學(xué)系統(tǒng)100被用作全向光學(xué)天線。
該全向光學(xué)系統(tǒng)100的主要部件仍然保持為與本替換實(shí)施例中的相同，并包括初級(jí)反射器102，次級(jí)反射器104，前向透鏡組106和聚焦透鏡組108。在本實(shí)施例中，初級(jí)反射器102和次級(jí)反射器104是大面積光匯聚器以將來(lái)自全景視場(chǎng)320的光提供到聚焦透鏡組108中。其次，前向透鏡組106被用作廣角物鏡以使來(lái)自廣角前向視場(chǎng)318的光彎曲進(jìn)入聚焦透鏡組108中。第三，聚焦透鏡組108包括一組前向正透鏡和一組后向負(fù)透鏡。
在該替換實(shí)施例中，該光學(xué)系統(tǒng)被改進(jìn)為用作遠(yuǎn)焦系統(tǒng)。該改進(jìn)只包括聚焦透鏡組108。換句話說(shuō)，如所描繪的，該系統(tǒng)包括至少一個(gè)大致以光軸112為中心的遠(yuǎn)焦元件108，該遠(yuǎn)焦元件108相對(duì)于前向場(chǎng)來(lái)說(shuō)位于初級(jí)反射器102的后方。像平面110設(shè)置在無(wú)限遠(yuǎn)，其由從圖5中的聚焦透鏡組108發(fā)射的平行光線502(而不是匯聚的)來(lái)表示。遠(yuǎn)焦放大率維持在最佳水平，其取決于探測(cè)器/發(fā)射器尺寸和光學(xué)系統(tǒng)的整體尺寸。
在該替換實(shí)施例中，對(duì)于該長(zhǎng)范圍光學(xué)通信天線的應(yīng)用，特別是對(duì)于高數(shù)據(jù)率通信系統(tǒng)，需要衍射極限光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如果該設(shè)計(jì)不是衍射極限，那么當(dāng)數(shù)據(jù)率達(dá)到特定水平時(shí)，波前誤差可能與相鄰光學(xué)信號(hào)重疊并干擾決策電路。該光學(xué)系統(tǒng)形成傳輸光束，并且任何誤差都可降低光束質(zhì)量。最優(yōu)化取決于前向透鏡組106和聚焦透鏡組108的透鏡構(gòu)造以及玻璃材料的選擇。
在該替換光學(xué)天線實(shí)施例中，像平面/探測(cè)器平面110必須是無(wú)畸變的。對(duì)于遠(yuǎn)焦光學(xué)系統(tǒng)，希望像平面110上穿過(guò)整個(gè)視場(chǎng)上的能量分布(power distribution)是恒定的，該整個(gè)視場(chǎng)包括前向視場(chǎng)318加上全景視場(chǎng)320。任何畸變都將改變發(fā)射機(jī)功率分布，并將使探測(cè)器飽和或削弱信號(hào)強(qiáng)度。如上所述，通過(guò)利用凸雙曲線或凸拋物線反射鏡作為初級(jí)反射器102可以實(shí)現(xiàn)無(wú)畸變?nèi)蚬鈱W(xué)設(shè)計(jì)。
最后的替換實(shí)施例包括方向變焦。由于公開的全向光學(xué)系統(tǒng)100的獨(dú)特構(gòu)造，通過(guò)使初級(jí)反射器102相對(duì)于光軸112俯仰移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)全景視場(chǎng)320內(nèi)的方向變焦，其是典型的球形或替換的拋物線或拋物線。該替換實(shí)施例在圖6中示出。沿關(guān)注方向俯仰移動(dòng)該初級(jí)反射器102以改變圖像光纖照射其上的初級(jí)反射器102上的區(qū)域和總的路徑長(zhǎng)度，從而改變了像平面110上的圖像的尺寸。前向視場(chǎng)318是從像平面110的中心離開還是完全看不到，取決于初級(jí)反射器102的傾斜度。然而，由于變焦面積是關(guān)注的面積，這不是成像中的因素。所期望的是這種構(gòu)造可以實(shí)現(xiàn)有效面積上的至少5×變焦。此外，通過(guò)沿著光軸112移動(dòng)前向成像透鏡組106的元件中的至少一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)前向視場(chǎng)318中的方向變焦。
方向變焦可通過(guò)結(jié)合360度旋轉(zhuǎn)和在支持光學(xué)系統(tǒng)100的元件的支撐結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)致動(dòng)器來(lái)實(shí)施。根據(jù)實(shí)施的光學(xué)系統(tǒng)100的具體尺寸，可使用小型的旋轉(zhuǎn)和線性致動(dòng)器。在一種實(shí)施中，旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器可以在初級(jí)反射器102基底之下以彼此相距180度方式來(lái)保持兩個(gè)線性致動(dòng)器。通過(guò)將線性致動(dòng)器與旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器定位在所需要的位置可以實(shí)現(xiàn)方向變焦，在相對(duì)方向上移動(dòng)它們以實(shí)現(xiàn)初級(jí)反射器102上的預(yù)定傾斜。小型線性致動(dòng)器可以結(jié)合在光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)支撐中以基于所需要的光學(xué)系統(tǒng)100的性能規(guī)格來(lái)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和定位元件。實(shí)現(xiàn)這些的其他選擇對(duì)于機(jī)械領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是明顯的，并且它們被認(rèn)為在本公開和其附加的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
總的來(lái)說(shuō)，在這里公開的不同實(shí)施例中的光學(xué)系統(tǒng)100提供了從連續(xù)的全部360度全景和大約270度垂直場(chǎng)匯聚信號(hào)的能力。這種技術(shù)在醫(yī)學(xué)，監(jiān)視，軍事，通信和檢查中具有廣泛的用途。在醫(yī)學(xué)上，其可以集成不同的現(xiàn)有和將來(lái)的包括撓性和剛性內(nèi)窺鏡的內(nèi)部成像技術(shù)。該連續(xù)的超寬視場(chǎng)提供了用于實(shí)際上橫跨所有醫(yī)學(xué)學(xué)科成像的無(wú)可匹配的能力。光學(xué)系統(tǒng)100的監(jiān)視應(yīng)用也是很多的。安裝的系統(tǒng)可以提供超寬連續(xù)的視場(chǎng)，并且該系統(tǒng)可以安裝在前向位置，懸掛式安裝，或立柱安裝。該系統(tǒng)可用作內(nèi)部或監(jiān)視用途，包括但不限于安全，娛樂(lè)場(chǎng)所動(dòng)作監(jiān)視，零售店監(jiān)視，住宅監(jiān)視和周圍探測(cè)。由于超寬視場(chǎng)，其消除了對(duì)區(qū)域進(jìn)行掃描的搖攝和俯仰拍攝系統(tǒng)的需要，并且其同樣允許商用運(yùn)動(dòng)探測(cè)軟件的集成。無(wú)線通信技術(shù)可以利用緊湊的光學(xué)系統(tǒng)100以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視能力。在監(jiān)視用途上擴(kuò)展的軍事用途提供了用于無(wú)人飛機(jī)和地面車輛的監(jiān)視和導(dǎo)航技術(shù)。多個(gè)系統(tǒng)可以連接到遠(yuǎn)程監(jiān)視站以為軍事哨所或設(shè)備提供分布很廣的周圍探測(cè)。最后，光學(xué)系統(tǒng)100可用于如光學(xué)天線的自由空間通信用途。寬場(chǎng)提供了用于建筑物對(duì)建筑物，UAV對(duì)UAV，UAV對(duì)衛(wèi)星，UAV對(duì)地，以及衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星通信的理想天線。光學(xué)檢查應(yīng)用橫跨許多學(xué)科。工業(yè)管道鏡或大尺寸管道履帶(large scale pipe crawler)的集成提供了對(duì)所有尺寸的管或孔進(jìn)行檢查的能力。其他的檢查應(yīng)用是在檢查站的起落架運(yùn)載工具(undercarriage vehicle)的檢查。安裝在車輛運(yùn)送的底座上，其可以提供運(yùn)載工具起落架的單個(gè)圖像檢查并允許用作用于外物鑒定的圖像處理技術(shù)手段。
雖然光學(xué)系統(tǒng)100適于這些許多不同應(yīng)用的例子，但是需要認(rèn)識(shí)到這一系統(tǒng)實(shí)際上適于需要以無(wú)縫方式接收和處理覆蓋全部360度全景圖和前向/垂直方向內(nèi)的270度的信號(hào)的任何應(yīng)用。因此，對(duì)于需要這種全景和前向/垂直觀察的應(yīng)用這種技術(shù)的任何用途都被當(dāng)作在本公開及其相關(guān)權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
雖然已經(jīng)說(shuō)明和描述了本發(fā)明的某些優(yōu)選特征，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以作出許多改進(jìn)、改變和代替。因此，可以理解的是附加的權(quán)利要求意圖覆蓋落入本發(fā)明的真實(shí)精神內(nèi)的所有這些改進(jìn)和改變。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1、一種集成了前向和全景場(chǎng)的裝置，包括初級(jí)反射器，其包括與所述前向場(chǎng)相關(guān)的凸面，在所述凸面的至少一部分上反射；次級(jí)反射器，相對(duì)于所述前向場(chǎng)位于所述初級(jí)反射器的前方，在其面對(duì)后面的表面的至少一部分上向所述初級(jí)反射器反射，包括面對(duì)后面朝向所述初級(jí)反射器的基本平坦的幾何結(jié)構(gòu)；在所述初級(jí)反射器中的初級(jí)反射器孔，其基本上以所述裝置的光軸為中心；以及在所述次級(jí)反射器中的次級(jí)反射器孔，其基本上以所述光軸為中心，所述次級(jí)反射器孔包括小于所述初級(jí)反射器孔的直徑的直徑。
2、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括至少一個(gè)基本上以所述光軸為中心的場(chǎng)匯聚元件，其相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言位于所述次級(jí)反射器的前方。
3、根據(jù)權(quán)利要求2的裝置所述至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件包括至少兩個(gè)場(chǎng)匯聚元件，其中至少一個(gè)所述場(chǎng)匯聚元件可沿著所述光軸移動(dòng)。
4、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括至少一個(gè)基本上以所述光軸為中心的場(chǎng)聚焦元件，其相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言位于所述初級(jí)反射器的后方。
5、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括至少一個(gè)基本上以所述光軸為中心的遠(yuǎn)焦元件，其相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言位于所述初級(jí)反射器的后方。
6、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括
至少一個(gè)基本上以所述光軸為中心的場(chǎng)匯聚元件，其相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言位于所述次級(jí)反射器的前方；以及至少一個(gè)基本上以所述光軸為中心的場(chǎng)聚焦元件，其相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言位于所述初級(jí)反射器的后方。
7、根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中將所述初級(jí)反射器、所述次級(jí)反射器、至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件和所述至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件相結(jié)合配置成將所述前向和全景場(chǎng)之間的基本上無(wú)縫的邊界投影到檢測(cè)平面上。
8、根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，還包括基本上位于所述至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件的焦平面內(nèi)的探測(cè)器。
9、根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，所述探測(cè)器包括光學(xué)探測(cè)器。
10、根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，所述探測(cè)器包括紅外探測(cè)器。
11、根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，所述探測(cè)器包括用于通信波的探測(cè)器。
12、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上為球面的幾何結(jié)構(gòu)。
13、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上為雙曲線的幾何結(jié)構(gòu)。
14、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上為拋物線的幾何結(jié)構(gòu)。
15、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置所述次級(jí)反射器包括面對(duì)后面朝向所述初級(jí)反射器的凹的幾何結(jié)構(gòu)。
16、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置所述次級(jí)反射器包括面對(duì)后面朝向所述初級(jí)反射器的凸的幾何結(jié)構(gòu)。
17、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置其中所述初級(jí)反射器可以相對(duì)于所述光軸而傾斜。
18、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置其中所述前向和全景場(chǎng)包括可見(jiàn)光譜中的光學(xué)場(chǎng)。
19、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置其中所述前方和全景場(chǎng)包括紅外光譜中的光學(xué)場(chǎng)。
20、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置其中所述前向和全景場(chǎng)包括電磁波。
21、根據(jù)權(quán)利要求1的裝置其中所述前向和全景場(chǎng)包括在用于通信的自由空間中傳播的電磁波。
22、一種以合成的前向和全景場(chǎng)接收信號(hào)的方法，包括提供初級(jí)反射器，其包括相對(duì)于前向場(chǎng)的凸面，在所述凸面的至少一部分上發(fā)生反射；使得次級(jí)反射器基本上平坦的幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言朝向所述初級(jí)反射器，在其表面的至少一部分上向后朝向所述初級(jí)反射器反射；在所述初級(jí)反射器中基本上以所述初級(jí)反射器和所述次級(jí)反射器的光軸為中心設(shè)置初級(jí)反射器孔；以及在所述次級(jí)反射器中基本上以所述光軸為中心設(shè)置次級(jí)反射器孔；其中所述次級(jí)反射器孔的直徑小于所述初級(jí)反射器孔的直徑。
23、根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言，在所述次級(jí)反射器的前方基本上以所述光軸為中心設(shè)置至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件。
24、根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中所述至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件包括至少兩個(gè)場(chǎng)匯聚元件，還包括沿著所述光軸移動(dòng)至少一個(gè)所述場(chǎng)匯聚元件。
25、根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言，在所述初級(jí)反射器的后方基本上以所述光軸為中心設(shè)置至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件。
26、根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言，在所述初級(jí)反射器的后方基本上以所述光軸為中心設(shè)置至少一個(gè)遠(yuǎn)焦元件。
27、根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言，在所述次級(jí)反射器的前方基本上以所述光軸為中心設(shè)置至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言，在所述初級(jí)反射器的后方基本上以所述光軸為中心設(shè)置至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件。
28、根據(jù)權(quán)利要求27的裝置，還包括相結(jié)合配置所述初級(jí)反射器、所述次級(jí)反射器、至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件和所述至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件，以將所述前向和全景場(chǎng)之間基本上無(wú)縫的邊界投影到檢測(cè)平面上。
29、根據(jù)權(quán)利要求27的方法，還包括在基本上位于所述至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件的焦平面內(nèi)提供探測(cè)器。
30、根據(jù)權(quán)利要求29的方法，所述探測(cè)器包括光學(xué)探測(cè)器。
31、根據(jù)權(quán)利要求29的方法，所述探測(cè)器包括紅外探測(cè)器。
32、根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，所述探測(cè)器包括用于通信波的探測(cè)器。
33、根據(jù)權(quán)利要求22的方法所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上球面的幾何結(jié)構(gòu)。
34、根據(jù)權(quán)利要求22的方法所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上雙曲線的幾何結(jié)構(gòu)。
35、根據(jù)權(quán)利要求22的方法所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上拋物線的幾何結(jié)構(gòu)。
36、根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括使得所述次級(jí)反射器的凹的幾何結(jié)構(gòu)向后朝向所述初級(jí)反射器。
37、根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括使得所述次級(jí)反射器的凸的幾何結(jié)構(gòu)向后朝向所述初級(jí)反射器。
38、根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括相對(duì)于所述光軸使所述初級(jí)反射器傾斜。
39、根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，所述接收還包括接收可見(jiàn)光譜中的光學(xué)場(chǎng)。
40、根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，所述接收還包括接收紅外光譜中的光學(xué)場(chǎng)。
41、根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，所述接收還包括接收電磁波。
42、根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，所述接收還包括
通過(guò)接收電磁波經(jīng)由自由空間進(jìn)行通信。
43、一種結(jié)合了前向和全景場(chǎng)的裝置，包括初級(jí)反射器，其包括相對(duì)于前向場(chǎng)的凸面，在所述凸面的至少一部分上發(fā)生反射；次級(jí)反射器，其相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言位于所述初級(jí)反射器的前方，在其面對(duì)后面的表面的至少一部分上朝向所述初級(jí)反射器發(fā)生反射，其包括面對(duì)后面朝向所述初級(jí)反射器的基本上平坦的幾何結(jié)構(gòu)；在所述初級(jí)反射器中的初級(jí)反射器孔，其基本上以所述裝置的光軸為中心；以及所述次級(jí)反射器包括小于所述初級(jí)反射器的直徑的直徑。
44、一種以合成的前向和全景場(chǎng)接收信號(hào)的方法，包括提供初級(jí)反射器，其包括相對(duì)于前向視場(chǎng)的凸面，在所述凸面的至少一部分上發(fā)生反射；使得次級(jí)反射器的基本上平坦的幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述前向場(chǎng)而言朝向所述初級(jí)反射器，在其表面的至少一部分上向后朝向所述初級(jí)反射器發(fā)生反射；在所述初級(jí)反射器中基本上以所述初級(jí)反射器和所述次級(jí)反射器的光軸為中心設(shè)置初級(jí)反射器孔；以及在所述次級(jí)反射器中基本上以所述光軸為中心設(shè)置次級(jí)反射器孔；其中所述次級(jí)反射器的直徑小于所述初級(jí)反射器的直徑。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)合前向和全景場(chǎng)的裝置，包括初級(jí)反射器，所述初級(jí)反射器包括關(guān)于前向場(chǎng)的凸面，在所述凸面的至少一部分上發(fā)生反射；次級(jí)反射器，相對(duì)于所述前方場(chǎng)來(lái)說(shuō)，所述次級(jí)反射器位于所述初級(jí)反射器的前方，在其面對(duì)后面的表面的至少一部分上朝向所述初級(jí)反射器發(fā)生反射；在所述初級(jí)反射器中的初級(jí)反射器孔，該孔基本上以所述裝置的光軸為中心；以及在所述次級(jí)反射器中的次級(jí)反射器孔，該孔基本上以所述光軸為中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括至少一個(gè)基本上以所述光軸為中心的場(chǎng)匯聚元件，所述場(chǎng)匯聚元件相對(duì)于所述前向場(chǎng)而位于所述次級(jí)反射器的前方。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置所述至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件包括至少兩個(gè)場(chǎng)匯聚元件，其中至少一個(gè)所述場(chǎng)匯聚元件可沿著所述光軸移動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括至少一個(gè)基本上以所述光軸為中心的場(chǎng)聚焦元件，所述場(chǎng)聚焦元件相對(duì)于所述前向場(chǎng)而位于所述初級(jí)反射器的后方。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括至少一個(gè)基本上以所述光軸為中心的遠(yuǎn)焦元件，所述遠(yuǎn)焦元件相對(duì)于所述前向場(chǎng)而位于所述初級(jí)反射器的后方。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括至少一個(gè)基本上以所述光軸為中心的場(chǎng)匯聚元件，所述場(chǎng)匯聚元件相對(duì)于所述前向場(chǎng)而位于所述次級(jí)反射器的前方；以及至少一個(gè)基本上以所述光軸為中心的場(chǎng)聚焦元件，所述場(chǎng)聚焦元件相對(duì)于所述前向場(chǎng)而位于所述初級(jí)反射器的后方。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中將所述初級(jí)反射器，所述次級(jí)反射器，至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件和所述至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件相結(jié)合配置成將所述前向和全景場(chǎng)之間基本上無(wú)縫的邊界投影到檢測(cè)平面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，還包括基本上位于所述至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件的焦平面內(nèi)的探測(cè)器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，所述探測(cè)器包括光學(xué)探測(cè)器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，所述探測(cè)器包括紅外探測(cè)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，所述探測(cè)器包括用于通信波的探測(cè)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上球面的幾何結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上雙曲線的幾何結(jié)構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上拋物線的幾何結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置其中所述次級(jí)反射器孔的直徑大于所述所述初級(jí)反射器孔的直徑。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置所述次級(jí)反射器包括面向后面朝向所述初級(jí)反射器的基本上平坦的幾何結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置所述次級(jí)反射器包括面向后面朝向所述初級(jí)反射器的凹的幾何結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置所述次級(jí)反射器包括面向后面朝向所述初級(jí)反射器的凸的幾何結(jié)構(gòu)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置其中所述初級(jí)反射器可以相對(duì)于所述光軸而傾斜。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置其中所述前向和全景場(chǎng)包括可見(jiàn)光譜中的光場(chǎng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置其中所述前向和全景場(chǎng)包括紅外光譜中的光場(chǎng)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置其中所述前向和全景場(chǎng)包括電磁波。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置其中所述前向和全景場(chǎng)包括在用于通信的自由空間中傳播的電磁波。
24.一種以結(jié)合的前向和全景場(chǎng)接收信號(hào)的方法，包括提供初級(jí)反射器，所述初級(jí)反射器包括關(guān)于前向場(chǎng)的凸面，在所述凸面的至少一部分上發(fā)生反射；使得次級(jí)反射器相對(duì)于所述前向場(chǎng)來(lái)說(shuō)朝向所述初級(jí)反射器，在其表面的至少一部分上向后朝向所述初級(jí)反射器發(fā)生反射；在所述初級(jí)反射器中基本上以所述初級(jí)反射器和所述次級(jí)反射器的光軸為中心設(shè)置初級(jí)反射器孔；以及在所述次級(jí)反射器中基本上以所述光軸為中心設(shè)置次級(jí)反射器孔。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，還包括相對(duì)于所述前向場(chǎng)，在所述次級(jí)反射器的前方基本上以所述光軸為中心設(shè)置至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件包括至少兩個(gè)場(chǎng)匯聚元件，還包括沿著所述光軸移動(dòng)至少一個(gè)所述場(chǎng)匯聚元件。
27.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，還包括相對(duì)于所述前向場(chǎng)，在所述初級(jí)反射器的后方基本上以所述光軸為中心設(shè)置至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件。
28.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，還包括相對(duì)于所述前向場(chǎng)，在所述初級(jí)反射器的后方基本上以所述光軸為中心設(shè)置至少一個(gè)遠(yuǎn)焦元件。
29.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，還包括相對(duì)于所述前向場(chǎng)，在所述次級(jí)反射器的前方基本上以所述光軸為中心設(shè)置至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件；以及相對(duì)于所述前向場(chǎng)，在所述初級(jí)反射器的后方基本上以所述光軸為中心設(shè)置至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的裝置，還包括相結(jié)合配置所述初級(jí)反射器，所述次級(jí)反射器，至少一個(gè)場(chǎng)匯聚元件和所述至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件以將所述前向和全景場(chǎng)之間基本上無(wú)縫的邊界投影到檢測(cè)平面上。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，還包括在基本上位于所述至少一個(gè)場(chǎng)聚焦元件的焦平面內(nèi)提供探測(cè)器。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，所述探測(cè)器包括光學(xué)探測(cè)器。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，所述探測(cè)器包括紅外探測(cè)器。
34.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，所述探測(cè)器包括用于通信波的探測(cè)器。
35.根據(jù)權(quán)利要求24的方法所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上球面的幾何結(jié)構(gòu)。
36.根據(jù)權(quán)利要求24的方法所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上雙曲線的幾何結(jié)構(gòu)。
37.根據(jù)權(quán)利要求24的方法所述初級(jí)反射器的所述凸面包括基本上拋物線的幾何結(jié)構(gòu)。
38.根據(jù)權(quán)利要求24的方法其中所述次級(jí)反射器孔的直徑大于所述所述初級(jí)反射鏡孔的直徑。
39.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，還包括使得所述次級(jí)反射器的基本上平坦的幾何結(jié)構(gòu)向后朝向所述初級(jí)反射器。
40.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，還包括使得所述次級(jí)反射器的凹的幾何結(jié)構(gòu)向后朝向所述初級(jí)反射器。
41.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，還包括使得所述次級(jí)反射器的凸的幾何結(jié)構(gòu)向后朝向所述初級(jí)反射器。
42.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，還包括相對(duì)于所述光軸使所述初級(jí)反射器傾斜。
43.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，所述接收還包括接收可見(jiàn)光譜中的光場(chǎng)。
44.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，所述接收還包括接收紅外光譜中的光場(chǎng)。
45.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，所述接收還包括接收電磁波。
46.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，所述接收還包括通過(guò)接收電磁波經(jīng)由自由空間進(jìn)行通信。
全文摘要
公開了一種集成了前向和全景場(chǎng)的裝置、系統(tǒng)及方法，包括初級(jí)反射器，該初級(jí)反射器包括關(guān)于前向場(chǎng)的凸面，在凸面的至少一部分上發(fā)生反射；次級(jí)反射器，相對(duì)于前向場(chǎng)來(lái)說(shuō)，該次級(jí)反射器位于初級(jí)反射器的前方，在其面對(duì)后面的表面的至少一部分上朝向所述初級(jí)反射器發(fā)生反射；在初級(jí)反射器中的初級(jí)反射器孔，該孔基本上以裝置的光軸為中心；以及在次級(jí)反射器中的次級(jí)反射器孔，該孔基本上以光軸為中心。
文檔編號(hào)G02B17/08GK1957282SQ200580010210
公開日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月6日
發(fā)明者米歇爾·希姆庫(kù)賴特, 馬嘉因, 賈森·E·史密斯 申請(qǐng)人:因特科學(xué)公司