本申請要求于2015年8月25日提交的標(biāo)題為“MODULAR LENS FOR EXTREMELY WIDE FIELD OF VIEW”的美國臨時申請62/209,716號的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文中。

背景技術(shù)：

本文中所公開的主題總體上涉及成像系統(tǒng)，并且更具體地涉及模塊化復(fù)合透鏡，該模塊化復(fù)合透鏡具有能夠以小圖像失真對寬視場成像的五個有源元件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

下文呈現(xiàn)了簡化概述以便提供對本文中所描述的一些方面的基本理解。該概述既不是廣泛的綜述也不旨在確定關(guān)鍵的/決定性的要素或旨在描繪本文中所描述的各個方面的范圍。該概述的唯一目在于以簡化形式呈現(xiàn)一些概念作為稍后呈現(xiàn)的更詳細(xì)的描述的前序。

在一個或更多個實施方式中，提供了一種復(fù)合透鏡，該復(fù)合透鏡包括：第一初級有源光學(xué)元件，該第一初級有源光學(xué)元件被配置成收集并且折射來自第一視場的第一光以產(chǎn)生第一折射光；第一次級有源光學(xué)元件，該第一次級有源光學(xué)元件被配置成使來自第一初級光學(xué)元件的第一折射光折射以產(chǎn)生第二折射光；以及組合部件，該組合部件被配置成接收來自第一次級有源光學(xué)元件的第二折射光并且沿復(fù)合透鏡的光路將第二折射光引導(dǎo)向一個或更多個下游光學(xué)元件，其中，復(fù)合透鏡對至少為100度的視場成像。

另外，一個或更多個實施方式提供了一種用于收集和聚焦來自寬視場的光的方法，該方法包括：由復(fù)合透鏡的第一初級有源光學(xué)元件使來自第一視場的第一光折射以產(chǎn)生第一折射光；由復(fù)合透鏡的第一次級有源光學(xué)元件使來自第一初級光學(xué)元件的第一折射光折射以產(chǎn)生第二折射光；將來自第一次級有源光學(xué)元件的第二折射光提供至復(fù)合透鏡的組合部件；以及由組合部件將第二折射光沿復(fù)合透鏡的光路引導(dǎo)向一個或更多個下游光學(xué)元件，其中，復(fù)合透鏡對至少為100度的視場成像。

此外，根據(jù)一個或更多個實施方式，提供了一種用于對寬視場成像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：用于在復(fù)合透鏡處使接收到的來自第一視場的第一光折射以產(chǎn)生第一折射光的裝置；用于使第一折射光折射以產(chǎn)生第二折射光的裝置；以及用于沿復(fù)合透鏡的光路將第二折射光引導(dǎo)向一個或更多個下游光學(xué)元件的裝置，其中，用于使第一光折射的裝置、用于使第一折射光折射的第二裝置、用于引導(dǎo)的裝置以及一個或更多個下游光學(xué)元件對至少為100度的視場成像。

為了實現(xiàn)前述和相關(guān)的目的，本文中結(jié)合下面的描述和附圖來描述某些說明性的方面。這些方面表示可以被實踐的各種方式，各種方式中的所有方式旨在涵蓋于本文中。根據(jù)下面結(jié)合附圖考慮時進(jìn)行的詳細(xì)描述，其他優(yōu)點和新型特征可以變得明顯。

附圖說明

圖1是示出了由示例非限制性照明和成像系統(tǒng)對圖像進(jìn)行捕獲的圖，該示例非限制性照明和成像系統(tǒng)包括照明器和成像系統(tǒng)。

圖2是示出了由雙高斯透鏡和魚眼透鏡提供的示例視場的圖。

圖3是包括五個有源元件的示例模塊化復(fù)合透鏡的示例性單元的圖。

圖4是將大約為100度的視場成像的示例模塊化透鏡的圖。

圖5是包括兩個初級-次級對的示例復(fù)合透鏡的圖。

圖6是示出了由模塊化復(fù)合透鏡通過組合兩個視場而獲得的合成視場的圖。

圖7是包括三個初級-次級對的復(fù)合透鏡的圖。

圖8是示出了由模塊化復(fù)合透鏡通過組合三個視場而獲得的合成視場的圖。

圖9A是關(guān)于具有窄視場的示例復(fù)合透鏡的基本單元組件的三維全視圖。

圖9B是關(guān)于具有窄視場的示例復(fù)合透鏡的基本單元組件的三維剖視圖。

圖10是示出了關(guān)于具有窄視場的示例復(fù)合透鏡的視場的側(cè)視圖和俯視圖。

圖11A是將第二初級-次級對和第三初級-次級對添加至復(fù)合透鏡的基本單元的示例模塊化復(fù)合透鏡的三維全視圖。

圖11B是將第二初級-次級對和第三初級-次級對添加至復(fù)合透鏡的基本單元的示例模塊化復(fù)合透鏡的三維剖視圖。

圖12是繪制出關(guān)于示例模塊化復(fù)合透鏡的MTF的曲線圖。

圖13是繪制出由示例模塊化復(fù)合透鏡捕獲的圖像的失真作為視場的函數(shù)的曲線圖。

圖14是用于使用模塊化復(fù)合透鏡來生成具有寬視場的圖像的示例方法的流程圖。

具體實施方式

現(xiàn)在參照附圖來描述本主題公開內(nèi)容，其中，貫穿全文，相同的附圖標(biāo)記用于指代相同的元件。在下面的描述中，出于說明的目的，闡述了許多特定細(xì)節(jié)以提供對本主題公開內(nèi)容的透徹理解。然而，應(yīng)當(dāng)明白，可以在不需要這些特定細(xì)節(jié)的情況下實施本主題公開內(nèi)容。在其他實例中，以框圖的形式示出了公知的結(jié)構(gòu)和裝置以利于對本主題公開內(nèi)容的描述。

如本文中所使用的，術(shù)語“或”旨在意味著包括性的“或”而不是排他性的“或”。也就是說，除非另外說明或根據(jù)上下文明確看出，否則短語“X采用A或B”旨在意味著任何自然的包括性置換。也就是說，短語“X采用A或B”是由以下實例中的任一實例來滿足的：X采用A；X采用B；或者X采用A和B二者。此外，如本申請和所附權(quán)利要求中使用的冠詞“a”和“an”通常應(yīng)當(dāng)被解釋為意味著“一個或更多個”，除非另外說明或根據(jù)上下文明確看出指示單數(shù)形式。

此外，本文中所使用的術(shù)語“集合”排除空集；例如其中沒有元素的集合。因此，本主題公開內(nèi)容中的“集合”包括一個或更多個元素或?qū)嶓w。作為例示，控制器的集合包括一個或更多個控制器；數(shù)據(jù)資源的集合包括一個或更多個數(shù)據(jù)資源；等等。同樣地，如本文中所使用的術(shù)語“組”指代一個或更多個實體的集合；例如，一組節(jié)點指代一或更多個節(jié)點。

將根據(jù)可以包括若干裝置、部件、模塊等的系統(tǒng)呈現(xiàn)各個方面或特征。應(yīng)當(dāng)理解并認(rèn)識到的是，各個系統(tǒng)可以包括另外的裝置、部件、模塊等，以及/或者可以不包括結(jié)合附圖所討論的所有裝置、部件、模塊等。還可以使用這些方法的組合。

圖1是示出了由示例非限制性照明和成像系統(tǒng)100對圖像進(jìn)行捕獲的簡化圖，該示例非限制性照明和成像系統(tǒng)100包括照明器102和成像系統(tǒng)118。照明器102和成像系統(tǒng)118可以是例如商用攝像裝置或更專業(yè)的攝像裝置例如多光譜或超光譜成像攝像裝置的部件，或者可以是能夠生成關(guān)于視場內(nèi)的點的距離信息的飛行時間(TOF)攝像裝置(也被稱為三維圖像傳感器)的部件。在該示例中，系統(tǒng)包括成像系統(tǒng)118和集成的照明器102二者，其中，該成像系統(tǒng)118基于來自視場的散射光來記錄圖像，并且該集成的照明器102將光104投射到視場中。然而，一些系統(tǒng)可以不使用照明器而是替代地可以只使用視場內(nèi)可用的環(huán)境光來收集圖像信息。

如果使用照明器102，則照明器102將光104發(fā)射到待成像的觀察區(qū)中。所發(fā)射的光中入射在視場內(nèi)的固體物體和表面(例如固體108、110和112以及墻壁106)上的部分由被照射的物體和表面散射為散射光114。由成像系統(tǒng)118的透鏡來接收和收集一子組散射光116，并且成像系統(tǒng)118內(nèi)的圖像捕獲部件(例如光電二極管陣列、電荷耦合裝置、互補金屬氧化物半導(dǎo)體、感光膠片或乳劑等)記錄從物體和表面散射的光線116作為圖像(或者在三維成像系統(tǒng)的情況下作為一組點云數(shù)據(jù))?？商孢x地，如果未使用照明器，則成像系統(tǒng)118的透鏡替代地收集和聚焦從透鏡的視場內(nèi)的物體和表面散射的環(huán)境光。

成像系統(tǒng)的視場的范圍取決于用于收集和聚焦散射光的透鏡的類型。寬視場通常需要由多個簡單的透鏡組成的復(fù)合透鏡或透鏡組件。盡管許多透鏡能夠產(chǎn)生清晰的高分辨率圖像，但是由透鏡聚焦的光產(chǎn)生的圖像通常包含像差或圖像失真，像差或圖像失真取決于用于產(chǎn)生圖像的透鏡的幾何結(jié)構(gòu)和材料。這些像差通常在透鏡的視場的邊緣處增大。為了補償和平衡光學(xué)像差，復(fù)合透鏡的設(shè)計者經(jīng)常選擇具有屈光本領(lǐng)和不同的折射特性的光學(xué)元件的組合。

通常，因為所期望的視場增大，所以組成復(fù)合透鏡的透鏡元件的數(shù)目也必須增加。例如，庫克(Cooke)透鏡是三片式透鏡，該三片式透鏡包括被布置在兩個冕牌玻璃元件之間的負(fù)火石玻璃元件。由該配置產(chǎn)生的視場被某一最大角度(例如40度)所限制。為了增大視場的角度超出庫克三片式透鏡能夠具有的該最大值，必須添加第四個元件。這樣的透鏡的一個示例例如天塞透鏡包括四個光學(xué)元件——兩個冕牌玻璃元件和兩個火石玻璃元件。該配置產(chǎn)生相對于庫克透鏡更寬的視場。雖然庫克透鏡和天塞透鏡被更先進(jìn)的透鏡取代，但已經(jīng)看到的是，隨著移動電話相機的出現(xiàn)兩種透鏡重新越來越受歡迎。

透鏡的光圈值確定透鏡的入射光瞳。透鏡收集光通量或輻射通量的能力與透鏡的光圈值的平方成反比。因此，低光照環(huán)境中的攝像裝置需要低光圈值。在保持光圈值恒定的同時增大視場需要增加透鏡元件的數(shù)目。然而，增加元件的數(shù)目通常會引起圖像像差相應(yīng)地增大，從而損害圖像質(zhì)量。例如，如圖2所示，雙高斯透鏡202可以實現(xiàn)大約為40度的視場，而魚眼透鏡204可以產(chǎn)生寬得多的210度的視場。然而，雖然從雙高斯透鏡轉(zhuǎn)換成魚眼透鏡增大了視場，但部分地由于組成魚眼透鏡的光學(xué)元件的數(shù)目更多，所以該視場的增大是以更大的圖像失真為代價的。

本公開內(nèi)容的一個或更多個實施方式提供了一種模塊化復(fù)合透鏡，該模塊化復(fù)合透鏡包括具有五個有源光學(xué)元件的基本單元，該五個有源光學(xué)元件用于將視場成像在焦平面上以用于由傳感器進(jìn)行捕獲。模塊化復(fù)合透鏡可以在光圈值低至1.7的情況下將大約為100度的視場成像。復(fù)合透鏡呈現(xiàn)出不多于10％的失真和高達(dá)每毫米100線對(lp/mm)的近乎衍射受限的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。在一些實施方式中，該低水平的失真可以通過由成像系統(tǒng)的處理器執(zhí)行的映射算法或使用存儲在成像系統(tǒng)上的查找表來衰減或校正。可以以模塊化的方式將另外的光學(xué)元件添加至復(fù)合透鏡的基本單元以在不改變光圈值并且不顯著增大圖像像差的情況下如所期望的那樣使視場變寬。

圖3是示出了根據(jù)一個或更多個實施方式的模塊化復(fù)合透鏡300的圖。復(fù)合透鏡300包括五個有源光學(xué)元件，五個有源光學(xué)元件被對齊以形成光路——初級元件302、次級元件304、第三級元件308、第四級元件312和第五級元件314。復(fù)合透鏡300還包括非有源組合器306和濾光器310，其中，該非有源組合器306位于光路內(nèi)的次級有源元件304后面，并且該濾光器310被設(shè)置在第三級元件308后面。如在下面更詳細(xì)地所描述的，組合器306可以用于在保持低水平的圖像像差的同時以模塊化的方式增大視場的角度。在圖3中所示的示例中，復(fù)合透鏡300的光學(xué)元件將從視場中的物體或多個物體散射的光聚焦至成像系統(tǒng)(例如攝像裝置、光譜成像系統(tǒng)、3D成像系統(tǒng)等)的傳感器316，以產(chǎn)生視場中的一個或更多個物體的圖像。初級元件302收集從整個復(fù)合透鏡300的視場內(nèi)的物體和表面散射的光線，其中，所收集的光線包括從物體和表面散射的所有光線的一小部分。次級元件304透射來自初級元件的光線，從而使光線彎曲并且進(jìn)一步經(jīng)由組合器306和濾光器310將光線透射至其他有源元件308、312以及314。每個有源元件使光折射并且將光透射至光路中的下一元件。復(fù)合透鏡300的有源元件共同地使光線聚焦至傳感器316，該傳感器316基于入射至傳感器316的表面上的聚焦光來捕獲視場的圖像。傳感器316可以包括例如光電二極管陣列、電荷耦合裝置(CCD)或互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、感光膠片或乳劑或者另一類型的圖像記錄裝置。

在各種實施方式中，五個有源元件302、304、308、312和314可以包括透鏡類型的任何合適的組合，所述透鏡類型包括但不限于平凸透鏡、正和/或負(fù)彎月形透鏡、雙凹透鏡、雙凸透鏡等。有源元件可以包括任何合適類型的光學(xué)材料，該任何合適類型的光學(xué)材料包括但不限于冕牌玻璃或火石玻璃、晶體、聚合物等。另外，在不脫離本公開內(nèi)容的一個或更多個實施方式的范圍的情況下，一個或更多個折射型透鏡元件可以由衍射型元件例如二元透鏡或全息光學(xué)元件來替換。如圖4所示，復(fù)合透鏡300的一個或更多個實施方式能夠在光圈值為1.7的情況下將大約為100度(例如100×100度)的寬角度的視場成像。圖像失真不大于10％并且復(fù)合透鏡300呈現(xiàn)出高達(dá)100lp/mm的近乎衍射受限的MTF。在一些實施方式中，可以使用由與透鏡相關(guān)聯(lián)的成像系統(tǒng)執(zhí)行的軟件(例如映射算法、查找表等)來進(jìn)一步減小該失真。

圖3和圖4中所示的光學(xué)元件共同地組成復(fù)合透鏡300的基本單元?；締卧洚?dāng)基本的復(fù)合透鏡，其中，另外的模塊化部件可以被添加至該基本的復(fù)合透鏡以便增大視場。例如，可以通過添加第二初級元件302和第二次級元件304來使由復(fù)合透鏡提供的視場變寬至兩倍至大約為200度(例如，100×200度)。在正交地完成組合(兩個視場具有90度的角間距)的實施方式中，組合的視場變成190度。圖5是將具有190度的角度的視場成像的示例復(fù)合透鏡500的圖。在該示例中，復(fù)合透鏡500的基本元件包括初級元件302a、次級元件304a、組合器306、第三級元件308、濾光器310、第四級元件312和第五級元件314，這些元件與復(fù)合透鏡300的對應(yīng)的有源元件類似。為了使視場的角度幾乎變寬至兩倍，第二初級元件302b和第二次級元件304b被添加至復(fù)合透鏡500的基本單元。初級元件302a使光聚焦至次級元件304a，而初級元件302b使光聚焦至次級元件304b。因此，初級元件302a和次級元件304a組成第一初級-次級對，而初級元件302b和次級元件304b組成第二初級-次級對。由元件302b和304b組成的第二初級-次級對被定位成相對于關(guān)于組合器306對稱的第一初級-次級對成90度，該組合器306組合來自這兩個初級-次級對的光線以穿過其他元件308、310、312和314。兩個初級-次級對中的每個可以將大約為100度的視場成像。因此，通過將由相應(yīng)的初級-次級對收集的兩個視場502a和502b組合來將兩個初級-次級對取向為彼此呈90度有效地使視場的寬度變寬至兩倍至大約為190度(例如，幾乎為100×200度)。圖6是示出了由復(fù)合透鏡500通過將經(jīng)由兩個初級-次級對接收到的兩個視場502a和502b進(jìn)行組合所獲得的合成視場的圖。

第二初級-次級對的添加和視場對應(yīng)的變寬至兩倍不改變復(fù)合透鏡500的光圈值，該光圈值仍然為1.7。此外，第二初級-次級對的添加不影響所觀測的像差，并且從而在添加第二初級-次級對的情況下圖像失真和MTF相對于復(fù)合透鏡300保持不變。

在各種實施方式中，組合器306可以包括用于將來自由兩個初級-次級對提供的兩個視場502a和502b的光線組合的任何合適的光學(xué)或機電部件。例如，在一個或更多個實施方式中，復(fù)合透鏡500可以被配置成使用不同的波長或顏色來區(qū)分兩個視場。在這樣的實施方式中，組合器306可以是二向色分束器立方體，該二向色分束器立方體被配置成將從次級元件304a和304b接收到的不同顏色的光線組合。根據(jù)示例技術(shù)，復(fù)合透鏡500可以包括一個或更多個光譜濾光器，一個或更多個光譜濾光器在透射至組合器306之前透射來自與兩個視場被照射的波長對應(yīng)的兩個視場502a和502b中的每個視場的光，使得出現(xiàn)在兩個視場中的每個視場中的波長駐留在兩個單獨的顏色范圍中。圖5描繪出光譜濾光器310被設(shè)置在組合器306后面的實施方式。將光譜濾光器310設(shè)置在組合器306后面的優(yōu)點是這樣的實施方式僅需要具有與所關(guān)注的兩個波長兼容的透射光譜的單個濾光器。這樣的光譜濾光器310可以被放置在相對于有源元件的組合器306后面的任何地方(即，在第三級元件、第四級元件和第五級元件中的任何兩個元件之間或者組合器306與第三級元件308之間)。組合器306可以包括二向色分束器立方體，該二向色分束器立方體被配置成透射第一視場502a的第一波長范圍內(nèi)的光并且反射第二視場502b的第二波長范圍內(nèi)的光。因此，當(dāng)來自兩個視場的光線(經(jīng)由初級元件和次級元件)進(jìn)入二向色分束器立方體的相應(yīng)的兩個相鄰側(cè)面時，這兩束光線均從分束器立方體的第三側(cè)面投射出作為沿其他透鏡元件308、310、312和314的光路的組合光束。二向色分束器立方體可以被配置成組合單色光線或多色光線，假設(shè)來自兩個視場的標(biāo)志顏色的光不同而使得組合器306可以將兩個視場進(jìn)行區(qū)分。

在另一示例實施方式中，復(fù)合透鏡500可以使用兩個視場502a和502b的偏振差異以利于對兩個視場進(jìn)行組合。在這樣的實施方式中，組合器306可以是偏振分束器立方體，該偏振分束器立方體被配置成將來自兩個視場的不同的偏振光組合。例如，復(fù)合透鏡500可以被配置成在光到達(dá)組合器306之前(例如使用放置在光路中的、組合器306之前的偏振濾光器，或使用其他偏振裝置)使從第一視場502a接收到的光在第一方向上偏振。同樣地，復(fù)合透鏡500可以被配置成在光到達(dá)組合器306之前使從第二視場502b接收到的光在不同的第二方向上偏振，從而使來自兩個視場的光的極性不同。被實施為偏振分束器立方體或被配置成將具有不同極性的兩個或更多個光束組合的另一部件的組合器306可以被配置成反射具有第一極性的光并且透射具有第二極性的光。因此，通過將來自兩個視場的光束引導(dǎo)向偏振分束器立方體的兩個相鄰的表面上，光束被組合并且從分束器立方體的第三表面沿其他元件308、310、312和314的光路被引導(dǎo)。

對于使用上面所描述的分束技術(shù)以組合來自兩個視場的光線的實施方式而言，復(fù)合透鏡500可以使用被布置在第五級元件314的下游的第二補償分束器來將針對兩個視場的光線分離。例如，對于使用二向色分束器立方體將兩個視場502a和502b組合的實施方式而言，具有與組合器306相同的截止波長的第二二向色分束器可以被布置在復(fù)合透鏡內(nèi)的第五級元件314的下游。第二二向色分束器可以接收組合光束并且例如通過基于第一視場的光線的第一顏色標(biāo)志透射第一視場的光線以及基于第二視場的光線的第二顏色標(biāo)志反射第二視場的光線來將兩個視場的區(qū)分了顏色的光信息分離。然后，圖像處理部件可以處理分離光束以產(chǎn)生關(guān)于兩個視場的圖像數(shù)據(jù)并且將得到的圖像數(shù)據(jù)組合成復(fù)合的廣角圖像。類似地，對于組合器306是偏振分束器立方體的實施方式而言，可以使用第二偏振分束器立方體來分離兩個視場的光線，該第二偏振分束器立方體接收來自第五級元件314的組合光束。第二偏振分束器立方體可以基于兩個視場的有區(qū)別的光極性而從組合光束分離出光信息。

在一個或更多個實施方式中，作為對上面所描述的分束技術(shù)的替代，組合器306可以通過使對來自兩個初級-次級對的光束的獲取進(jìn)行時間交織將來自兩個視場502a和502b的光束組合。在這樣的實施方式中，組合器306可以包括機電機械裝置例如轉(zhuǎn)向鏡、光電閥或能夠選擇性地將來自兩個視場的光束中的一個光束或另一個光束傳遞至其他光學(xué)元件308、310、312和314的其他裝置。組合器306通過由與成像系統(tǒng)的傳感器相關(guān)聯(lián)的圖像處理部件根據(jù)已知的時間序列在兩個光束之間交替來組合兩個視場，從而以時間交織的方式沿相同的光路發(fā)送來自兩個視場的光線。然后，第五級元件314下游的圖像處理部件(例如CCD、CMOS等)可以與組合器同步地讀取兩個視場的時間交織的光線以將包含在組合光束中的兩組數(shù)據(jù)分離。

在又一實施方式中，組合器可以由立方體分束器來實現(xiàn)，該立方體分束器將從每個視場接收到的每個光束的大約一半光束透射和反射。因此，從每個視場所收集的光線的約50％被透射至傳感器，而50％被丟棄。在充分照射的情況下，這種丟棄可以不算問題。

雖然上面描述了關(guān)于組合器306的若干示例實現(xiàn)方式(顏色分束、極性分束、時間交織分束等)，但應(yīng)當(dāng)理解的是，復(fù)合透鏡500的一些實施方式可以使用其他裝置或通過聯(lián)合使用上面所描述的光組合技術(shù)中的任意兩種或更多種光組合技術(shù)來組合來自兩個視場的光線。

為了根據(jù)分離的視場信息獲取合成圖像，復(fù)合透鏡500將分離光束信息引導(dǎo)向成像系統(tǒng)的一個或更多個記錄裝置例如固態(tài)傳感器(例如光電二極管陣列、CCD或CMOS)、感光膠片或乳劑等。復(fù)合透鏡500的各種實施方式可以使用任何合適的技術(shù)以根據(jù)兩個視場生成合成圖像同時防止來自不同的視場的圖像信息重疊。例如，當(dāng)兩個視場的光束已經(jīng)從組合光束分離時，復(fù)合透鏡500內(nèi)的光處理部件可以將兩束光束引導(dǎo)朝向成像裝置(例如光電二極管陣列、CCD、CMOS、感光膠片等)的圖像平面的不同區(qū)域，使得兩個視場沿兩個視場之間的具有最小重疊或沒有重疊的校正邊緣接合?？商孢x地，可以由不同的固態(tài)傳感器來處理分離光束以產(chǎn)生關(guān)于兩個視場的圖像信息，并且圖像信息可以被軟件例程接合以產(chǎn)生合成圖像。

還可以通過將第三初級-次級對添加至基本單元使由本文中所描述的復(fù)合透鏡的一個或更多個實施方式提供的視場增大至大約為280度(例如，100×280度)。圖7是將第三初級-次級對——包括第三初級元件302c和第三次級元件304c——添加至圖5中所描繪的復(fù)合透鏡設(shè)計的復(fù)合透鏡700的圖。第三初級-次級對被定位成與第一初級-次級對(包括初級元件302a和次級元件304a)關(guān)于組合器306對稱地成90度。正如添加第二初級-次級對那樣，添加第三初級-次級對不會不利地影響相對于復(fù)合透鏡300與復(fù)合透鏡700而言得到的廣角圖像的光圈值、失真或MTF。圖8是示出了由復(fù)合透鏡700通過將經(jīng)由三個初級-次級對接收到的視場702a、702b和702c進(jìn)行組合所獲得的合成視場的圖。

與復(fù)合透鏡500類似，來自三個視場702a至702c的光可以被組合器306聚合，然后，該組合器306沿各透鏡的光路將聚合光線引導(dǎo)向其他元件308、310、312。對于包括第三初級-次級對的實施方式而言，色彩分散(例如使用二向色分束器作為組合器306)和時間交織機制二者仍然為用于組合三個視場的光線的合適選擇。然而，用于組合光線的其他組合技術(shù)均在本公開內(nèi)容的一個或更多個實施方式的范圍內(nèi)。

可以通過添加一個或更多個另外的初級-次級對來使由本文中所描述的復(fù)合透鏡提供的視場進(jìn)一步變寬。例如，第四初級-次級對可以被添加至面向相對于初級元件302a和次級元件304a的相反方向的基本單元，從而得到360度(例如100×360度)的視場。在另一示例配置中，第四初級-次級對可以被取向成與圖7中所描繪的其他三個初級-次級對成90度(例如面向垂直于其他三個對)。該布置將視場從100×280度增大至190×280度?？傊?，初級-次級對的任何組合可以在六個取向(向前、向后、向左、向右、向上、向下)中的任一定取向上以模塊化的方式被納入復(fù)合透鏡中以實現(xiàn)所期望的視場(例如，100×100、100×190、100×280、100×360、190×190、190×280、280×280、280×360、360×360等)。

圖9A是關(guān)于具有窄視場的復(fù)合透鏡900的部件的示例組件的三維全視圖，圖9B是復(fù)合透鏡900的三維剖視圖。在一個或更多個實施方式中，如圖10中所示的俯視圖和側(cè)視圖(應(yīng)當(dāng)理解的是，圖10中的“俯視圖”和“側(cè)視圖”的命名是任意的，并且視圖的方向取決于給出的上下文中的透鏡的取向)中所示，復(fù)合透鏡900可以產(chǎn)生大約為2×100度的視場。與上面所描述的復(fù)合透鏡類似，復(fù)合透鏡900包括有源初級元件302和有源次級元件304，其中，有源初級元件302和有源次級元件304組成初級-次級對。復(fù)合透鏡900還包括沿光路對齊的組合器306、第三級元件308、濾光器310、第四級元件312和第五級元件314。五個有源元件共同地將來自視場的散射光聚焦至傳感器316或其他成像部件。在該示例中，初級元件302和次級元件304均被配置成收集和折射來自為2×100度的窄視場的光并且將光引導(dǎo)向組合器306。

如上面的示例中所描述的，可以通過添加第二初級-次級對變寬視場，或者如果需要，可以通過添加第三初級-次級對進(jìn)一步變寬視場。圖11A是將第二初級-次級對和第三初級-次級對添加至復(fù)合透鏡的基本單元的示例復(fù)合透鏡1100的三維全視圖。包括初級元件302b和次級元件304b的第二初級-次級對被取向成與第一初級-次級對關(guān)于組合器306對稱地呈90度。同樣地，包括初級元件302c和次級元件304c的第三初級-次級對被取向成與第一初級-次級對關(guān)于組合器306對稱地呈90度(即，面向相對于第二初級-次級對的相反方向)。組合器306將來自先前示例中所描述的三個初級-次級對的光線組合并且沿透鏡的光路將組合光束經(jīng)由其他透鏡部件308、310、312和314(其中，元件310是無源濾光器)引導(dǎo)向傳感器316。雖然圖11A和圖11B描繪出被添加至基本單元的兩個另外的初級-次級對，但應(yīng)當(dāng)理解的是，取決于所需要的視場，可以將更多或更少的對添加至基本單元。例如，可以通過添加面向相對于第一初級-次級對的相反方向的第四初級-次級對將復(fù)合透鏡1100的視場從2×280度變寬至2×360度。

圖12是繪制出MTF與復(fù)合透鏡1100的空間頻率進(jìn)行對照的曲線圖，該曲線圖示出了近衍射極限性能，其中視場的邊緣處(在50度的半角處)的MTF大約為關(guān)于100lp/mm的50％(對于切向平面的40％以及對于徑向平面的60％的平均值)。這表明針對比100cy/mm顯著地更大的空間頻率也實現(xiàn)可觀測的對比度。圖13是繪制了生成圖像的失真作為關(guān)于復(fù)合透鏡1100的視場的函數(shù)的曲線圖，同時示出了最大不超過10％的絕對值。在一些實施方式中，可以由成像系統(tǒng)的處理單元使用合適的軟件來減小或校正該失真。

在圖11A和圖11B中所描繪的窄視場的實施方式(以及包括多于一個初級-次級對的其他窄視場的實施方式)中，多個視場可以被組合并且隨后使用上面所描述的組合和分離技術(shù)中的任一種技術(shù)被分離。此外，窄視場透鏡的一個或更多個實施方式可以通過控制組合器306的傾斜度(或用于根據(jù)組合光束使視場分離的第二分束器的傾斜度)來分離組合視場，使得不同的視場的光學(xué)數(shù)據(jù)被引導(dǎo)向圖像平面的相應(yīng)的不同區(qū)域。例如，組合器的傾斜度或分離分束器的傾斜度可以被控制成使得不同的視場的圖像數(shù)據(jù)被引導(dǎo)向光電二極管陣列、CCD或CMOS的各個不同的(平行的)像素行。

上面所描述的模塊化復(fù)合透鏡可以實現(xiàn)具有低圖像失真(例如小于10％)和近乎衍射受限的MTF(例如，小于100lp/mm)的超過90度的寬視場。復(fù)合透鏡設(shè)計使得能夠通過以模塊化的方式繞組合器添加另外的光學(xué)部件來增大視場，該組合器將來自多個光學(xué)部件的光線集成為單光束并且將組合光束引導(dǎo)向下游的透鏡部件以用于圖像處理。此外，通過添加這些模塊化部件來增大視場并不改變透鏡的光圈值。該設(shè)計利于在保持較小的光學(xué)元件總數(shù)目的情況下將具有極寬的角度的視場成像。

上面所描述的復(fù)合透鏡的實施方式可以被并入基本上任何類型的成像系統(tǒng)的部件，任何類型的成像系統(tǒng)包括但不限于商用攝像裝置(例如數(shù)字相機、膠片攝像機等)、多光譜成像攝像裝置、超光譜成像攝像裝置等。復(fù)合透鏡還可以結(jié)合三維成像系統(tǒng)例如飛行時間攝像裝置來使用，該飛行時間攝像裝置能夠測量視場的景深或距離信息。例如，當(dāng)在TOF攝像裝置中用于三維成像時，復(fù)合透鏡用于獲取調(diào)制光(例如脈沖調(diào)制光)，該調(diào)制光被照明系統(tǒng)發(fā)射到視場中并且被視場內(nèi)的物體和表面散射。復(fù)合透鏡獲取一子組被物體散射的調(diào)制光，并且復(fù)合透鏡的有源光學(xué)元件將所獲取的調(diào)制光引導(dǎo)向TOF攝像裝置內(nèi)的感測元件。基于對朝向視場內(nèi)的點透射調(diào)制光脈沖與檢測到來自該點的返回脈沖之間經(jīng)過的時間的測量結(jié)果，TOF攝像裝置確定該點距攝像裝置的距離。通過收集關(guān)于跨視場的點陣列的這樣的距離信息，TOF攝像裝置可以生成包含視場的景深信息(例如，點云數(shù)據(jù))的三維圖像。

圖14示出了根據(jù)本主題申請的一個或更多個實施方式的方法。盡管出于使說明簡單的目的，本文中所示的方法被示出并且被描述為一些列動作，但應(yīng)當(dāng)理解并且認(rèn)識到的是，但本主題發(fā)明不受動作的順序限制，這是因為一些動作可以根據(jù)本主題發(fā)明以不同的順序和/或與根據(jù)本文中所示出和所描述的動作中的其他動作同時發(fā)生。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解并且認(rèn)識到的是，方法論可以可替選地被描述成一系列的相關(guān)的狀態(tài)或事件例如在狀態(tài)圖中的一系列的相關(guān)的狀態(tài)或事件。此外，不是所有示出的動作可以被要求用于實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法。此外，當(dāng)不同的實體實行方法的不同部分時，交互圖可以表示根據(jù)本主題公開內(nèi)容的方法論或方法。另外，所公開的示例方法中的兩個或更多個方法可以以相互組合的方式被實現(xiàn)，以實現(xiàn)本文中所描述的一個或更多個特征或優(yōu)點。

圖14示出了用于使用模塊化復(fù)合透鏡來生成具有寬視場的圖像的方法論1400。在最初時，在1402處，來自第一視場的散射光經(jīng)由復(fù)合透鏡的第一光學(xué)部件被接收。第一光學(xué)部件可以包括例如復(fù)合透鏡的指向第一視場的初級透鏡和次級透鏡。在1404處，來自第二視場的第二散射光經(jīng)由復(fù)合透鏡的第二光學(xué)部件被接收。第二光學(xué)部件可以包括例如復(fù)合透鏡的指向第二視場的第二初級透鏡和第二次級透鏡。在一個或更多個實施方式中，第二光學(xué)組合的軸線可以被取向為相對于第一光學(xué)組合的軸線呈90度。

在1406處，使用復(fù)合透鏡的組合部件將來自第一散射光的光線和來自第二散射光的光線組合以產(chǎn)生組合光束。組合部件可以包括例如二向色分束器立方體、偏振分束器立方體、轉(zhuǎn)向鏡或光電閥、或者另一類型的組合元件，其中，該轉(zhuǎn)向鏡或光電閥通過使從第一光學(xué)部件接收到的第一光和從第二光學(xué)部件接收到的第二光進(jìn)行時間交織來組合光線。在1408處，沿復(fù)合透鏡的光路將組合光束引導(dǎo)向一個或更多個圖像生成部件。光路可以包括若干其他有源光學(xué)元件，若干其他有源光學(xué)元件被取向在組合元件與圖像生成部件之間。

在1410處，從組合光束中將第一視場的光線和第二視場的光線恢復(fù)并且分離。例如，如果二向色或偏振分束器立方體用于在步驟1406處組合光線，則補償分束器立方體可以用于從組合光束中分離光線。在1412處，基于所恢復(fù)的光線來生成第一視場和第二視場的組合圖像。

上面所描述的內(nèi)容包括本主題發(fā)明的示例。當(dāng)然，為了描述所公開的主題內(nèi)容的目的，不可能描述部件或方法的每個可想到的組合，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認(rèn)識到本主題發(fā)明的許多其他組合和排列是可能的。因此，所公開的主題內(nèi)容旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的所有這樣的更改、修改和變化。

特別地并且對于由上述部件、裝置、電路和系統(tǒng)等執(zhí)行的各種功能，除非另有說明，否則用于描述這樣的部件的術(shù)語(包括所引用的“裝置”)旨在與執(zhí)行所描述的部件的指定功能(如功能等同物)的任何部件相對應(yīng)，盡管其在結(jié)構(gòu)上與所公開的結(jié)構(gòu)不等同，但執(zhí)行本文所示的所公開主題內(nèi)容的示例性方面中的功能。在這一點上，還將認(rèn)識到所公開的主題內(nèi)容包括系統(tǒng)以及具有用于執(zhí)行所公開主題內(nèi)容的各種方法的動作和/或事件的計算機可執(zhí)行指令的計算機可讀介質(zhì)。

另外，盡管可能已經(jīng)針對若干實現(xiàn)方式中的僅一個實現(xiàn)方式公開了所公開主題內(nèi)容的特定特征，這樣的特征可以與其他實現(xiàn)方式中的一個或更多個其他特征進(jìn)行組合，這對于任何給定或特定應(yīng)用來說可能是期望的和有利的。此外，對于在詳細(xì)描述或權(quán)利要求中使用的術(shù)語“包括(includes和including)”及其變型而言，這些術(shù)語以與術(shù)語“包括(comprising)”相類似的方式旨在是包含性的。

在本申請中，詞語“示例性”用于指用作示例、實例或說明。本文中被描述為“示例性”的任何方面或設(shè)計不一定被解釋為優(yōu)于或勝過其他方面或設(shè)計。相反，詞語“示例性”的使用旨在以具體形式呈現(xiàn)構(gòu)思。

本文中所描述的各個方面和特征可以被實現(xiàn)為方法、裝置、或使用標(biāo)準(zhǔn)編程和/或工程技術(shù)的制品。本文中所使用的術(shù)語“制品”意在包括能夠從任何計算機可讀裝置、載體或介質(zhì)訪問的計算機程序。例如，計算機可讀介質(zhì)可以包括但不限于：磁存儲裝置(例如，硬盤、軟盤、磁條……)、光盤(例如，致密盤(CD)、數(shù)字多功能盤(DVD)……)、智能卡和閃存裝置(例如，卡、條、鍵驅(qū)動器……)。