CN105824184B - 一种半球面和侧面全景成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型半球面和侧面全景成像系统。系统外部为透明外壳，壳内置有从物侧到像侧分别前后布置的前成像透镜组、侧成像透镜组和凸透镜，透明外壳的后端连接到成像装置，成像装置的侧部设有用于照明的照明装置，成像装置经图像处理装置与显示屏连接；前成像透镜组包括自物侧至像侧同轴依次布置的第一球面透镜、第二球面透镜和第三圆形凸透镜，侧成像透镜组包括环形入光面、环形反射面、圆形反射面和圆形出光面。本发明系统填补了传统全景环视透镜的固有盲区，实现了装置前方半球面视场和侧方360度圆柱状视场的无缝连续成像，适应性良好，应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种半球面和侧面全景成像系统，实现系统前方近半球面视场的和侧方360度圆柱状视场的无缝连续成像。
背景技术
全景视觉指的是一次获得大于半球视场的大视角完整图像，它对智能车辆、医学内窥诊断和移动机器人等依赖视觉信息的应用行业具有非常重要的意义。除了应用多个摄像机进行拼接图像，目前广泛使用的全景视觉感知技术主要是利用全景环形透镜和鱼眼镜头两种方法，但是都有各种适用场合及缺点。
传统的全景环形透镜利用平面圆圆柱投影法(Flat Cylinder Perspective,FCP)，将围绕光轴360度的圆圆柱视场投影到成像面的环形区域内。虽然此种全景透镜可以增加视角角度，实现围绕光轴360度视场的实时成像，但是成像面中心的圆形盲区大大影响了视场完整性。虽然可以通过缩小全景透镜前部的圆形反射面和改变透镜组折射系数来增大成像视场，但是这两个改进总是受到现有玻璃的折射系数和工艺的限制，并会大幅提高透镜的制作成本。目前普通的全景透镜仍无法克服中心盲区这一缺陷。
另一种应用广泛的大范围成像镜头为鱼眼镜头。虽然它可以增加拍摄时的视角，得到镜头前方接近或等于半球面视场的大视角成像，但是成像会有不可避免的球形畸变，影响了系统成像的最终性能，而且拍摄时经常会遇到反光的问题。
发明内容
有鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种半球面和侧面全景成像系统，它采用一种空间频分复用的方法，从物侧到像侧依次包括透明外壳、前成像透镜组、侧成像透镜组、照明装置、成像装置、图像处理装置和显示屏，综合实现前方半球面视场和侧面360度范围实时拍摄成像功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明包括成像装置、图像处理装置和显示屏，还包括透明外壳、前成像透镜组、侧成像透镜组和照明装置，透明外壳内置有从物侧到像侧分别前后布置的前成像透镜组、侧成像透镜组和凸透镜，透明外壳的后端连接到成像装置，成像装置的侧部设有用于照明的照明装置，成像装置经图像处理装置与显示屏连接，前成像透镜组与侧成像透镜组之间通过密接或胶合的方式组合。
所述的前成像透镜组包括自物侧至像侧同轴依次布置的第一球面透镜、第二球面透镜和第三圆形凸透镜，第三圆形凸透镜近像侧的表面涂有第一滤光膜；物侧的光从依次经第一球面透镜、第二球面透镜和第三圆形凸透镜折射后穿过侧成像透镜组的多表面透镜，再通过凸透镜折射成像到成像装置的成像面上。
所述的第一滤光膜仅对波长550nm以下的光谱全反射，仅允许波长550nm以上的光谱透过。
所述的侧成像透镜组的多表面透镜包括环形入光面、环形反射面、圆形反射面和圆形出光面，环形入光面位于多表面透镜的前部圆周围并相接在所述前成像透镜组末端的第三圆形凸透镜边缘，环形反射面位于多表面透镜的前部圆周围，环形反射面前端边缘与环形入光面的后端边缘相接，环形反射面的内表面涂有第二滤光膜，圆形出光面位于多表面透镜的后端中心，并与环形反射面的后端边缘相接，所述的前成像透镜组的第一滤光膜作为圆形反射面；物侧的光从环形入光面入射，经环形反射面反射到圆形反射面再经反射后从圆形出光面出射，出射后通过凸透镜折射成像到成像装置的成像面上。
物侧的光从环形入光面入射，经环形反射面反射到圆形反射面再经反射后从圆形出光面出射，出射后通过凸透镜折射成像到成像装置的成像面上。
第二滤光膜仅对波长550nm以下的光谱透过。
本发明不同材料组合的透镜通过胶合或密接方式组合固定。
所述的位于成像面后方两侧的照明装置功能是对系统进行照明，随后成像装置对前成像透镜组与侧成像透镜组收集到的光谱进行成像，并将其转换为电信号数据传入图像处理装置。
所述的图像处理装置通过图像校正与拼接程序形成整个无缝全景图，在显示屏上显示，实现前方半球面视场和侧面360度范围圆柱状视场内景物的拍摄成像。
本发明具有的有益效果是：
相对于现有技术，本发明系统填补了传统全景环视透镜的固有盲区，实现了装置前方半球面视场和侧方360度圆柱状视场的无缝连续成像，最大限度地增大了视野。
并且本发明的适应性良好，能很好地满足管道测量及医学内窥等不同场合下探测、拍摄的应用。
附图说明
图1是本发明系统整体示意图。
图2是近物侧的前成像透镜组的透镜结构光路图与成像图。
图3是近像侧的侧成像透镜组的透镜结构光路图与成像图。
图4是成像面图像、物空间视场与成像展开图之间的对应示意图。
图中：1、第一球面透镜，2、第二球面透镜，3、第三圆形凸透镜，4、环形入光面，5、环形反射面，6、圆形反射面，7、圆形出光面，8、凸透镜，9、透明外壳，10、照明装置，11、成像装置，12、图像处理装置，13、显示屏，14、第一滤光膜，15、第二滤光膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括成像装置11、图像处理装置12、显示屏13、透明外壳9、前成像透镜组、侧成像透镜组和照明装置10，透明外壳9内置有沿光路方向从物侧到像侧分别前后布置的前成像透镜组、侧成像透镜组和凸透镜8，透明外壳9的后端连接到成像装置11，成像装置11的侧部设有用于照明的照明装置10，成像装置11经图像处理装置12与显示屏13连接。
系统近物侧部分由透明外壳9以及设置于外壳内的前成像透镜组组成，如图2所示，前成像透镜组包括自物侧至像侧同轴依次布置的第一球面透镜1、第二球面透镜2和第三圆形凸透镜3，第一球面透镜1、第二球面透镜2和第三圆形凸透镜3的边缘紧密相接，相邻两者之间均设有间隙，第三圆形凸透镜3近像侧的表面涂有第一滤光膜14；物侧的光从依次经第一球面透镜1、第二球面透镜2和第三圆形凸透镜3折射后穿过侧成像透镜组，再通过凸透镜8折射成像到成像装置11的成像面上。
第一滤光膜14仅对波长550nm以下的光谱全反射，第三圆形凸透镜3仅对波长550nm以上的光谱透过。
如图3所示，侧成像透镜组的多表面透镜包括环形入光面4、环形反射面5、圆形反射面6和圆形出光面7，环形入光面4位于多表面透镜的前部圆周围并相接在所述前成像透镜组末端的第三圆形凸透镜3边缘，环形反射面5位于多表面透镜的前部圆周围，环形反射面5前端边缘与环形入光面4的后端边缘相接，环形反射面5的内表面涂有第二滤光膜15，圆形出光面7位于多表面透镜的后端中心，并与环形反射面5的后端边缘相接，所述的前成像透镜组的第一滤光膜14作为圆形反射面6；物侧的光从环形入光面4入射，经环形反射面5反射到圆形反射面6再经反射后从圆形出光面7出射，出射后通过凸透镜8折射成像到成像装置11的成像面上。
本发明中，侧成像透镜组中的多表面透镜满足以下非球面公式：
其中，z为以各非球面与光轴的交点为起点、垂直光轴方向的轴向值，r为透镜表面的高度，c为非球面顶点的曲率，k为二次曲面系数，a2，a4，a6，a8，a10，a12和a14均为非球面系数，ds为高次非球面顶点到坐标原点之间偏离量。
前成像透镜组实现对成像装置前方的近半球形视场的实时成像，侧成像透镜组实现对成像系统侧方360度圆柱状视场内的景物成像，由此本发明实现前方半球面视场和侧面360度范围实时拍摄成像功能。
本发明的具体实施例及其实施过程如下：
1)如图1所示，将前成像透镜组与侧成像透镜组以密接或胶合方式连接放置于透明外壳内，水平中轴线对齐，在成像面安装照明装置与成像装置，并与图像处理装置和显示屏依次连接。本实施例提出了所用透镜的相关参数，以使技术人员能更加清楚地知晓本系统的优点。其中α＝180°，β＝40°，具体透镜参数如下表：
表1前成像透镜组透镜结构参数
表2侧成像透镜组中多表面透镜非球面系数
2)如图2所示，对于由2β所代表的、绕水平中轴线旋转360度以内的锥形角度范围内的光线，依次经过近物侧的前成像透镜组的第一球面透镜、第二球面透镜和第三圆形凸透镜的折射汇聚，其中波长大于550nm的光谱可透过滤光膜A，经过侧成像透镜组在成像面聚焦成像，形成成像面中心的圆形图像(即为深色圆形部分)。
3)如图3所示，对于α角的两条边绕水平中轴线旋转360度以内的成像光线，其中波长小于550nm的光谱可透过滤光膜B，由侧成像透镜组的环形入光面4进入，经与环形反射面5反射后，再由圆形反射面6全反射，从圆形出光面7透射而出，最后凸透镜8将所成的虚像聚焦于成像面形成圆环(即为浅色圆环部分)。
4)不在过程2)和3)描述的角度内的光谱都不进入本成像系统内，被折射或反射离开，不参与成像。
5)位于成像面后方两侧的照明装置对系统进行照明。成像装置采集成像面的光学图像，并将其转换为电信号数据传入图像处理装置。
6)在图像处理装置内通过图像校正与拼接程序，将前方近半球形视场和侧方圆柱状视场的图像拼接形成整个无缝全景图，然后将数据传输到显示屏进行显示。成像面所成图像与物空间的装置前方半球面视场、侧面圆柱状视场的对应关系，以及物空间与成像展开图之间的对应关系如图4所示。
由实施例可见，本发明其技术效果显著突出，最大限度地实现了前方半球面视场和侧方360度圆柱状视场的无缝连续成像，增大了视野，并填补了传统全景成像的固有盲区，具有很好的应用前景。
Claims (4)
1.一种半球面和侧面全景成像系统，包括成像装置(11)、图像处理装置(12)和显示屏(13)，其特征在于：还包括透明外壳(9)、前成像透镜组、侧成像透镜组和照明装置(10)，透明外壳(9)内置有从物侧到像侧分别前后布置的前成像透镜组、侧成像透镜组和凸透镜(8)，侧成像透镜组为一块具有多表面的透镜，透明外壳(9)的后端连接到成像装置(11)，成像装置(11)的侧部设有用于照明的照明装置(10)，成像装置(11)经图像处理装置(12)与显示屏(13)连接；
所述的前成像透镜组包括自物侧至像侧同轴依次布置的第一球面透镜(1)、第二球面透镜(2)和第三圆形凸透镜(3)，第三圆形凸透镜(3)近像侧的表面涂有第一滤光膜(14)；物侧的光从依次经第一球面透镜(1)、第二球面透镜(2)和第三圆形凸透镜(3)折射后穿过侧成像透镜组的多表面透镜，再通过凸透镜(8)折射成像到成像装置(11)的成像面上。
2.根据权利要求1所述的一种半球面和侧面全景成像系统，其特征在于：所述的第一滤光膜(14)仅对波长550nm以下的光谱全反射，并使得第三圆形凸透镜(3)仅允许波长550nm以上的光谱透过。
3.根据权利要求1所述的一种半球面和侧面全景成像系统，其特征在于：所述的侧成像透镜组的多表面透镜包括环形入光面(4)、环形反射面(5)、圆形反射面(6)和圆形出光面(7)，环形入光面(4)位于多表面透镜的前部圆周围并相接在所述前成像透镜组末端的第三圆形凸透镜(3)边缘，环形反射面(5)位于多表面透镜的前部圆周围，环形反射面(5)前端边缘与环形入光面(4)的后端边缘相接，环形反射面(5)的内表面涂有第二滤光膜(15)，圆形出光面(7)位于多表面透镜的后端中心，并与环形反射面(5)的后端边缘相接，所述的前成像透镜组的第一滤光膜(14)作为圆形反射面(6)；物侧的光从环形入光面(4)入射，经环形反射面(5)反射到圆形反射面(6)再经反射后从圆形出光面(7)出射，出射后通过凸透镜(8)折射成像到成像装置(11)的成像面上。
4.根据权利要求3所述的一种半球面和侧面全景成像系统，其特征在于：所述的第二滤光膜(15)仅对波长550nm以下的光谱透过。
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