CN102200611A

CN102200611A - 刚性多向成像束以及合并其的成像组件

Info

Publication number: CN102200611A
Application number: CN2011100689862A
Authority: CN
Inventors: K.泰博; S.A.拉什卡; K.海巴格
Original assignee: Schott Diamondview Armor Products LLC
Current assignee: Schott Corp; Schott Diamondview Armor Products LLC
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2011-09-28
Also published as: EP2369382A1; CA2734633A1

Abstract

一种多向成像组件包括具有至少两个刚性图像传导分支元件的多向成像束。每个分支元件具有相对的图像输入面和图像输出面以及其间的至少一个弯曲。分支元件相互结合使得图像输入面被全异定向，并且图像输出面重合以限定公共图像输出面。光学地与每个图像输入面对准的是限定与空间区域有关的视场的聚焦元件。与由聚焦元件限定的视场有关的空间区域的图像被获取并投影到聚焦元件与之光学地对准的图像输入面上。通过分支元件传导并通过公共图像输出面输出的图像被光学地传送至图像检测器阵列。该图像检测器阵列被通信链接到数据处理系统，该数据处理系统包括消除多个图像之间的冗余内容以便产生模拟单个大视场图像的合成图像的图像增强算法。

Description

刚性多向成像束以及合并其的成像组件

临时优先权声明

要求基于2010年3月22日提交且标题为“RIGID, MULTI - DIRECTIONAL IMAGING BUNDLE AND IMAGING ASSEMBLY INCORPORATING THE SAME”的临时申请序号No. 61/340,732的优先权。前述临时申请的全部公开（包括附图）被合并到本文中以供参数，如同其在本申请中被完全阐述一样。

背景技术

合并了诸如电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的图像检测器阵列的成像系统或“成像器（imager）”（例如照相机）的设计和制造是已建立的技术。此类检测器阵列通常在平面基底上形成，并且因此常常称为“焦平面阵列”。根据为其设计的成像器的特定应用，实现不同的光学部件以便以光学方式向图像检测器阵列传送图像。例如，在简单的消费者数字视频或静止图像照相机中，至少一个透镜被定位为在焦平面阵列的前方以便将被拍摄的场景的图像投影到图像检测器阵列上。在这种情况下，所述至少一个透镜限定与由焦平面阵列限定的平面正交地取向的光轴。

在产生用于诸如视频监视的更复杂应用的成像器时，成像系统设计者面临将“广角”或“全景”图像传送到单个焦平面阵列的任务。超过某些极限，单个广角透镜的使用导致不可接受的图像失真。认识到图像失真由大视场透镜引入，已经进行了将成像系统与多个全异定向的（disparately- directed）透镜组装在一起的尝试，来自所述多个全异定向的透镜的单独图像随后被聚焦到一个或多个检测器阵列上，被诸如算法“修正”和像素匹配的技术数字化和“组合”。此类设备的目的是产生已修正图像，其是表示具有减少的失真的大视场的空间连续区域的数字化表示。

与算法修正相组合的多个全异定向的透镜的使用提出其自己的一组挑战。根据一种方法，如果使用多个焦平面阵列，则能够捕捉无失真图像并将其存储在计算机存储器中。在这种情况下，每个透镜与其自己的焦平面阵列光学地对准。然而，此类实施方式引入向计算机存储器进行传送、使多个焦平面阵列的信号输出同步并在算法上进行分析的复杂性。此外，以电子方式封装多个全异地成角的焦平面阵列引起许多挑战，最重要的是空间效率。在第二种方法中，使用多个全异地取向的透镜来同时将相应数目的图像投影到单个焦平面阵列上。由通过BAE系统的所谓“虫之眼（bug eye）”来表示特定的实施方式。在“虫之眼”系统中，在半球表面上布置若干个（具体地九（9）个）透镜。在透镜与焦平面阵列之间插入有小平面（faceted）的熔合光纤束以便补偿焦平面阵列与外围透镜之间的极端不垂直度。一个图像被从九个透镜中的每一个投影到熔合束的相应小平面上并随后通过内部反射传送到焦平面阵列的相应图像检测部分。虽然“虫之眼”消除了与多个全异地成角的焦平面阵列的使用相关联的问题，但九个透镜中只有一个限定与焦平面阵列和/或有小平面的束的中心小平面正交地取向的光轴。其它八个透镜中的每一个限定以基本上小于90度的角（相对于焦平面阵列和透镜被对准到的小平面）取向的光轴。因此，虽然由“非正交”透镜中的每一个限定的图像轴在限定相应的束小平面的纤维末端的接受角内，并且九个透镜中没有一个单独地是充分“广角”而引入可感知的失真的，但是由于与每个“非正交”透镜相关联的光轴相对于其相应的束小平面以浅角取向的事实，存在与每个此类透镜相关联的相当大的图像失真。

认识到同时向单个焦平面阵列递送多个无失真图像的需要，一种在先设计采用了柔性图像引导件（guide）。更具体而言，由美国Volpi Manufacturing公司（在下文中为“Volpi”）引入的“聚光纤器件”允许通过柔性相干光纤成像引导件同时向单个照相机传送多达八（8）个不同的视图。在相关产品文献中，Volpi强调每个“纤维支路（fiber leg）”的柔性和该柔性如何促进支路关于彼此的重取向（reorientation）。在某些应用中，单独成像引导件的柔性无庸置疑地是优点。然而，如果在要求固定成像角的条件下将采用诸如Volpi的聚光纤器件的器件，则要求“外骨骼（exoskeletal）”结构或框架以便将每个支路保持在固定位置和角取向。

因此，存在对一种同时向单个平面检测器阵列传送多个最小失真图像的自支撑多向成像组件的需要。

发明内容

说明性地体现的多向成像组件的中心部件是多向成像束。在一个实施例中，多向成像束具有多个至少两个图像传导（image-conducting）分支元件。每个分支元件具有带有图像输入面的成像传导第一部分和带有与图像输入面相对的图像输出面的图像传导第二部分。此外，每个分支元件在相对的图像输入面和图像输出面之间的其整个长度上是刚性的，并在第一部分和第二部分之间包括至少一个弯曲，使得第一部分和第二部分分别沿着第一图像传播轴和不平行于所述第一图像传播轴的第二图像传播轴延伸。

通过将至少第一和第二图像传导分支元件的第二部分相互结合（binding）来形成多向成像束。在替换说明性型式中，以非限制性示例的方式，用（i）热熔化和（ii）诸如环氧树脂的粘合剂的施加中的至少一个来实现分支元件的机械结合。被相互结合的第二部分限定束主干（trunk）并沿着（但不一定平行于）公共束轴（bundle axis）延伸。此外，分支元件的各图像输出面重合（coincide）以便限定公共图像输出面。应认识到单独分支元件的刚性给予（render）成像束自支撑，从而消除对用于支撑单独的分支元件以根据需要保持其对准的“外骨骼”框架的需要。

当分支元件的第二部分被如上所述地相互结合时，分支元件的第一部分是相互叉开的（divergent）。另外，在各种型式中，图像输入面是全异定向的。例如，在其中第一和第二分支元件中的每一个的图像输入面是平面的且与该分支元件的第一图像传播轴正交地取向的非限制性说明性实例中，将很容易认识到第一和第二分支元件的图像输入面是全异定向的。然而，如上述示例的非限制性质所暗示的，将明确理解的是具有替换地配置和定向的图像输入面的型式在本发明的范围和考虑内。更具体地，以附加非限制性示例的方式，在本发明的范围和考虑内的是其中平面图像输入面不与相应的第一图像传播轴正交地取向的型式。另外，在不存在相反的明确权利要求语言的情况下，具有非平面图像输入面的型式也被视为在如所附权利要求所定义的本发明的范围内。

已经描述了说明性多向成像束的方面，说明性多向成像组件还包括被机械地与每个分支元件的图像输入面保持光学对准的光学聚焦元件。在典型的型式中，每个聚焦元件是透镜。然而，不存在相反的清楚限制，应理解的是具有诸如（以非限制性示例的方式）反射镜或分级折射率元件的替换聚焦光学装置的型式在如所附权利要求所定义的本发明的范围和考虑内。每个聚焦元件限定与在成像组件外部的三维空间区域有关的视场。与由聚焦元件限定的视场有关的空间区域的图像被该聚焦元件获取并投影到聚焦元件光学地与之对准的图像输入面上。

由内部反射通过该聚焦元件与之相对应的分支元件来传导由每个聚焦元件获取并投影的图像。因此，在各种型式中，每个图像传导分支元件包括多个相邻熔合的内部反射成像管（conduit），诸如光纤。对成束光纤或光纤茎（cane）进行加热、拖拉和邻近熔合以形成刚性的图像传导束是已很好地建立的技术，并且因此在本文中准许没有详细的解释。由此类过程形成的直束将在其冷却之前弯曲，或者如果被冷却，则随后被加热并弯曲以形成包括至少一个弯曲的图像传导分支元件。

由每个聚焦元件限定的视场相对于由与成像组件相关联的每个其它聚焦元件限定的视场而言是唯一的。然而，为了使由多个聚焦元件获取的多个图像的“拼合在一起”成为可能，并产生表示单个连续空间区域的合成图像，各种实施例中的每一个被配置为使得由每个聚焦元件部分地限定的视场与由与成像组件相关联的至少一个其它聚焦元件限定的视场重叠。例如，左侧聚焦元件可能在其视场的右侧内包括被包括在右侧聚焦元件的视场左侧内的某些相同的空间部分。然后可以将左侧图像和右侧图像组合，并且通过例如基于算数的图像增强技术将它们之间的冗余从合成图像之中“减除”出。图像增强的目的是在“组合”或“复合”图像中产生在比各聚焦元件中的任何聚焦元件单独能够产出的更大的视场上获取的单个全景图像的幻觉。

位于与成像束的公共图像输出面光学对准的位置处的是图像检测器阵列，通过分支元件传导并通过公共图像输出面输出的图像被光学地传送到该图像检测器阵列。以非限制性示例的方式，在任何特定型式中使用的图像检测器阵列可以是（i）微测辐射热计（microbolometer），（ii）电荷耦合器件（CCD），（iii）互补金属氧化物半导体（CMOS）电路或（iv）一个或多个光电二极管。在针对一般光检测而配置的实施例中，可能使用至少1×1光电二极管阵列作为检测器阵列。因此，在至少一个此类实施例中，在图像输入面处省略聚焦元件，因为对于此类目的而言，“聚焦”图像可能是不必要的。在任何情况下，在其中包括任何类型的检测器阵列的说明性型式中，检测器阵列被通信地链接到数据处理系统，该数据处理系统包括中央处理器、用于存储指示由检测器阵列登记（registered）的图像的数据（可替换地，“已登记图像数据”）的存储器和用于处理检测器阵列的电输出的信号处理算法。

表示在检测器阵列处同时登记的多个（至少两个）图像的已登记图像数据被存储在计算机存储器中。应认识到，由于上述的重叠视场，与至少一个图像相关联的某些已登记图像数据将是与至少一个其它图像相关联的某些已登记图像数据的复制。因此，在至少某些实施方式中，信号处理算法分析与同时获取的图像相对应的已登记图像数据并以算数方式将其中消除了图像—数据冗余的单个合成图像组合。

在以下详细说明和附图中更全面地描述和描绘了代表性非限制性实施例。

附图说明

图1描绘了包括多向成像束的多向成像组件。

具体实施方式

各种刚性多向成像束和合并了多向成像束的以不同方式体现的多向成像组件的以下描述本质上是说明性的，并且因此并不意图限制本发明或其应用的使用。在发明内容和具体实施方式中描述的各种实施方式、方面、型式和实施例本质上是落在所附权利要求范围内的非限制性示例，并且并不用于约束权利要求的最大范围。

参考图1，说明性多向成像组件10包括多向成像束100，其同时接收在多向成像组件10外部的相应全异空间区域的全异第一和第二图像。成像束100（稍后在本说明书中更详细地描述）在内部传导图像以便通过在成像束100的一端处限定的公共图像输出面105输出。

通过公共图像输出面105输出的图像被光学地传送至图像检测器阵列110。在所描绘的型式中，公共图像输出面105和图像检测器阵列110被“直接”相互耦合，使得不需要介入的光学装置。然而，应理解的是在没有相反的明确限制的情况下，其中在图像输出面105与图像检测器阵列110之间存在至少一个光学元件（未示出）的型式在如所附权利要求所定义的本发明的范围和考虑内。

替换实施方式合并了被配置为检测电磁波长的预定范围内的波长的多种常规检测器阵列110中的任何一种。适合于实现本发明的实施例的典型检测器阵列110包括在切合实际的程度上被均匀地确定尺寸并规则地间隔开的光敏检测器元件115。如发明内容所述，可以被合并到各种替换实施例中的检测器阵列110的三个说明性类型是（i）微测辐射热计（ii）电荷耦合器件（CCD）和（iii）互补金属氧化物半导体（CMOS）电路。检测器阵列110被通信地链接到数据处理系统200，该数据处理系统200包括中央处理器205、用于存储指示已登记图像的数据215（可替换地，“已登记图像数据215”）的存储器210和用于处理检测器阵列110的电输出和已登记图像数据215的信号处理算法220。

在图1的说明性型式中，多向成像束100包括第一和第二图像传导分支元件120A和120B。在下文中，只有当需要将一个分支元件120与另一个区分开时，才包括字母字符“A”和“B”。相关地，用相似的数字参考字符来参考第一和第二分支元件120A和120B的相似元件。每个分支元件120具有带有图像输入面132的成像传导第一部分130和带有与图像输入面132相对的图像输出面142的图像传导第二部分140。此外，每个分支元件120在相对的图像输入面132和图像输出面142之间的其整个长度上是刚性的，并且此外，在第一和第二部分130和140之间包括至少一个弯曲145，使得第一和第二部分130和140分别沿着第一图像传播轴A_IP1和不平行于第一图像传播轴A_IP1的第二图像传播轴A_IP2延伸。

仍参考图1，第一和第二分支元件120A和120B的第二部分140被相互结合，从而限定束主干106并将分支元件120的位置和角取向关于彼此永久性地固定。束主干106的第二组成部分140沿着但不一定平行于公共束轴A_B延伸。此外，各分支元件120的图像输出面142重合以便限定上述公共图像输出面105。

在分支元件120的第二部分140被相互结合的情况下，分支元件120的第一部分130相对于第二部分140和从而限定的束主干106而言是相互叉开的。更具体地，虽然在任何特定型式中第二部分140可能不是相互平行和平行于公共束轴A_B的，但第一和第二分支元件120A和120B的第二部分140比第一和第二分支元件120A和120B的第一部分130更接近于相互平行。另外，在各种型式中，第一和第二分支元件120A和120B的图像输入面132是全异定向的。例如，在图1的特定非限制性型式中，第一和第二分支元件120A和120B中的每一个的图像输入面132是平面的并与该分支元件120的第一图像传播轴A_IP1正交地取向。因此，由于分支元件120的第一图像传播轴A_IP1相互叉开的事实，第一和第二分支元件120A和120B的图像输入面132被全异定向。

与第一和第二分支元件120A和120B的图像输入面132机械地保持光学对准的分别是第一和第二聚焦元件160A和160B。如同第一和第二分支元件120A和120B一样，当需要将一个聚焦元件160与另一个区分开时，包括字母字符“A”和“B”。如图1示意性地描绘的，第一和第二聚焦元件160A和160B分别限定第一和第二视场FOV₁和FOV₂。第一和第二视场FOV₁和FOV₂分别与在成像组件10外部的三维第一和第二空间区域SR₁和SR₂相关。

在给定时刻，由第一聚焦元件160A获取第一空间区域SR₁的第一图像I₁并将其投影到第一分支元件120A的图像输入面132上。与第一图像I₁的获取和投影同时地，由第二聚焦元件160B获取第二空间区域SR₂的第二图像I₂并将其投影到第二分支元件120B的图像输入面132上。在其撞击在第一和第二分支元件120A和120B的图像输入面132上之后，第一和第二图像I₁和I₂分别通过第一和第二分支元件120A和120B被内部反射传导，并通过公共图像输出面105光学地传送至检测器阵列110的检测器元件115。

虽然可以可替换地配置内部反射分支元件120，但图1的每个分支元件120包括多个相邻熔合的内部反射成像管150，诸如光纤。如图1的放大分支部分所示，每个成像管150包括被具有成像包层（cladding）折射率n₂的包层材料154围绕的具有成像芯（core）折射率n₁的光学透射芯152，其中成像包层折射率n₂比成像芯折射率n₁低，使得光通过内部反射而传播通过成像管150。在其中成像管150被相邻地熔合的典型实施例中，芯152被支撑在熔合包层材料154的矩阵内。

由于聚焦光学装置的全异定向，由第一聚焦元件160A限定的视场不同于由第二聚焦元件160B限定的视场。也就是说，第一和第二聚焦元件160A和160B获取并投影全异第一和第二空间区域SR₁和SR₂的图像，使得由第一聚焦元件160A获取并投影的第一图像I₁不同于同时地由第二聚焦元件160B获取并投影的第二图像I₂。然而，第一和第二聚焦元件160A和160B被配置和定向为使得第一视场FOV₁部分地与第二视场FOV₂重叠。在图1中参考第一、第二和第三对象O₁、O₂和O₃及说明性图像I₁和I₂来表示此重叠。更具体而言，第一对象O₁被描绘成与第一分支元件120A的第一图像传播轴A_IP1近似地“共轴”，而被描绘成与公共束轴A_B共轴的第二对象O₂看起来在图像I₁的远右侧。可区别地，第三对象O₃被描绘成与第二分支元件120B的第一图像传播轴A_IP1近似地“共轴”，而上述第二对象O₂看起来在图像I₂中的远左侧。因此，在本示例中，对象O₂存在于由总体成像组件10成像的第一和第二视场FOV₁和FOV₂的“重叠区域”中。

表示被在检测器阵列110处同时登记的第一和第二图像I₁和I₂的已登记图像数据215被存储在计算机存储器210中。应认识到由于第一图像I₁的某些“对象内容”与同时获取的第二图像I₂的某些对象内容相同，所以在指示第一和第二图像I₁和I₂的已登记图像数据215中将存在一定的冗余。因此，在至少某些实施方式中，信号处理算法220分析与第一和第二图像I₁和I₂相对应的已登记图像数据215以便以算术方式构造（或组合）其中消除了图像-—数据冗余的合成图像I_C。在图1的底部是合成图像数据230的图形表示，合成图像数据230表示由与第一和第二图像I₁和I₂相对应的已登记图像数据215的非冗余部分形成的合成图像I_C。

虽然图1的说明性实施例举例说明了具有两个图像传导分支元件120的型式，但应理解的是此型式绝不限制本发明的预期范围。更具体而言，可以设想具有能够同时对若干个重叠空间区域进行成像的多于两个分支元件120的型式。例如，可以预期能够对360°的地平线和地平线之上的整个天空成像的型式。

前述内容被视为说明本发明的原理。此外，由于在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员将想到各种方面和实施方式的修改和变更，所以应理解的是前述内容不使如所附权利要求所表达的本发明局限于所示和所述的精确构造、实施方式和型式。

Claims

1.一种刚性多向成像束，包括：

束主干，其沿着公共束轴延伸并包括公共图像输出面；以及

至少第一和第二图像传导分支元件，每个分支元件具有带有图像输入面的图像传导第一部分和带有与图像输入面相对的图像输出面的图像传导第二部分；其中

（a）每个分支元件（i）在图像输入面和图像输出面之间的其整个长度上是刚性的，且（ii）在第一部分和第二部分之间包括至少一个弯曲；以及

（b）分支元件的第二部分被相互结合，使得（i）分支元件的第二部分限定束主干并沿着公共束轴延伸，（ii）分支元件的图像输出面与公共图像输出面重合，（iii）分支元件的第一部分是相互叉开的，以及（iv）第一和第二分支元件的图像输入面是全异定向的，并被配置为使得同时接收成像束外部的空间的全异第一和第二图像。

2.根据权利要求1所述的成像束，其中，每个图像传导分支元件包括多个相邻熔合的内部反射成像管。

3.根据权利要求2所述的成像束，还包括与每个分支元件的图像输入面光学地对准的聚焦元件，其中，（i）每个聚焦元件限定与空间区域有关的视场，其图像被聚焦元件投影到图像输入面上，该聚焦元件与所述图像输入面光学地对准和（ii）由每个聚焦元件限定的视场相对于由每个其它聚焦元件限定的视场而言是唯一的。

4.根据权利要求3所述的成像束，其中，由每个聚焦元件限定的视场部分地与由与成像束相关联的至少一个其它聚焦元件限定的视场重叠。

5.一种多向成像组件，包括：

至少第一和第二图像传导分支元件，每个分支元件具有带有图像输入面的图像传导第一部分和带有与图像输入面相对的图像输出面的图像传导第二部分，每个分支元件是刚性的，并且在图像输入面和图像输出面之间包括至少一个弯曲；

聚焦元件，其与每个分支元件的图像输入面光学地对准，每个聚焦元件限定与空间区域有关的视场，该空间区域的图像被聚焦元件投影到图像输入面上，该聚焦元件与所述图像输入面光学地对准，并且由每个聚焦元件限定的视场相对于由每个其它聚焦元件限定的视场而言是唯一的；其中

分支元件的第二部分被相互结合，使得（i）分支元件的第二部分限定沿着公共束轴延伸的束主干，（ii）分支元件的图像输出面重合以便限定公共图像输出面，（iii）分支元件的第一部分是相互叉开的，以及（iv）第一和第二分支元件的图像输入面是全异定向的。

6.根据权利要求5所述的成像组件，还包括图像检测器阵列，其被定位为与公共图像输出面光学对准，使得通过分支元件传导并通过公共图像输出面输出的图像被光学地传送至图像检测器阵列。

7.根据权利要求6所述的成像组件，其中，每个图像传导分支元件包括多个相邻熔合的内部反射成像管。

8.根据权利要求5所述的成像组件，其中，每个图像传导分支元件包括多个相邻熔合的内部反射成像管。

9.根据权利要求8所述的成像组件，其中，由每个聚焦元件限定的视场部分地与由与成像束相关联的至少一个其它聚焦元件限定的视场重叠。

10.根据权利要求9所述的成像组件，还包括图像检测器阵列，其被定位为与公共图像输出面光学对准，使得通过分支元件传导并通过公共图像输出面输出的图像被光学地传送至图像检测器阵列。

11.根据权利要求5所述的成像组件，其中，由每个聚焦元件限定的视场部分地与由与成像束相关联的至少一个其它聚焦元件限定的视场重叠。

12.根据权利要求11所述的成像组件，还包括图像检测器阵列，其被定位为与公共图像输出面光学对准，使得通过分支元件传导并通过公共图像输出面输出的图像被光学地传送至图像检测器阵列。

13.一种多向成像组件，包括：

至少第一和第二刚性图像传导分支元件，每个分支元件包括（i）具有图像输入面的图像传导第一部分，（ii）具有与图像输入面相对的图像输出面的图像传导第二部分，以及（iii）在图像输入面和图像输出面之间的至少一个弯曲；以及

图像检测器阵列；其中

（i）分支元件的第二部分被相互结合，使得分支元件的图像输出面重合以便限定公共图像输出面；

（ii）分支元件的第一部分是相互开叉的；以及

（iii）所述图像检测器阵列被定位为与公共图像输出面光学对准，使得通过分支元件传导并通过公共图像输出面输出的图像被光学地传送至图像检测器阵列。

14.根据权利要求13所述的成像组件，还包括与每个分支元件的图像输入面光学地对准的聚焦元件，每个聚焦元件限定与空间区域有关的视场，该空间区域的图像被聚焦元件投影到图像输入面上，该聚焦元件与所述图像输入面光学地对准，并且由每个聚焦元件限定的视场相对于由每个其它聚焦元件限定的视场而言是唯一的。

15.根据权利要求14所述的成像组件，其中，由每个聚焦元件限定的视场部分地与由与成像束相关联的至少一个其它聚焦元件限定的视场重叠。