CN103293845A - 一种全景成像装置及方法 - Google Patents

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本发明公开了一种全景成像装置及方法。将经特殊设计的长焦距大成像面折反式全景环带镜头在平面或球面上所成的圆环形大成像面平均分割成多个扇环形的子像面，每个子像面或经扩展后的子像面通过尺寸与之匹配的锥形光学纤维面板传递给对应的图像传感器，最后利用图像处理单元将所有图像传感器接收到的图像先展开成矩形图像再按其在圆环形成像面上的次序依次拼接起来得到全景图像，最后将该全景图像传送到显示单元进行显示。该装置和方法通过将锥形光学纤维面板与长焦距大成像面折反式全景环带镜头结合，实现实时大成像面360度周视全景成像，利用多个图像传感器进行图像拼接可以得到更大的像面，同时可以提高视场边缘部分的图像分辨率。

Description

一种全景成像装置及方法
技术领域
本发明涉及全景成像装置和方法，尤其涉及一种全景环带成像装置和方法。
背景技术
光学纤维面板是指厚度小于横截面的板状图像传递元件，由数千万根规则的光学纤维复合丝紧密排列再经过熔压、切割等工序加工制成，光学纤维面板输入端和输出端在几何上一一对应，每一根光导纤维传递一个像点，从而起到像传递的作用。光纤锥即锥形光学纤维面板是将一定长度的矩形或圆柱形光学纤维面板坯料，利用专门的加热、拉制设备拉制成锥形，然后经退火处理后，依据不同的放大率需要切割成的锥形元件。锥形光学纤维面板的放大（或缩小）倍数就是锥体本身大端直径和小端直径之比，成品锥形光学纤维面板可以加工成圆对圆，方对方，圆对方或长方等各种不同类型，实际放大倍数也可以由需求决定，一般可达5：1，特殊应用时可达10：1。由于锥形光学纤维面板具有放大、缩小像面形状，高效率的耦合特性等传像特征，因此被广泛应用于微光摄像机、微光夜视仪、CCD耦合、电视成像、医疗诊断等军事、航天及民用市场领域。
折反式全景环带镜头是一种基于平面圆柱投影原理的新的全景成像技术，它可以把光轴周围360度的景物成像在二维平面上的环形区域内，在无需扫描转动部件的情况下可以实时得到360度的全景图像，实现全景凝视成像，而且其景深为无限远，从而在机器人视觉、安防监视、自动导航等需要大视场周视观测的领域有重要的应用。但是折反式全景环带镜头因其第一面反射镜结构的原因，中间视场的光线不可避免地被第一面反射镜阻挡而不能进入后续光组，致使在图像传感器上得到的是一个圆环形的像面，中间部分的像元不能被充分利用而成为盲区。一般说来，折反式全景环带镜头圆环形成像面越大，盲区也越大，图像传感器上被浪费的像元也越多，这是折反式全景环带镜头最大的缺点。
另一方面，由于折反式全景环带镜头视场超广角的特性，边缘大视场的物体在图像传感器上的像的大小被严重压缩，受单个CCD\CMOS图像传感器尺寸大小的限制，尤其在现在CCD\CMOS图像传感器尺寸还不能做得太大，且大尺寸CCD\CMOS价格昂贵的情况下，本来就被严重压缩的像再被限制在单个CCD\CMOS图像传感器上，致使CCD\CMOS图像传感器边缘部分像的分辨率低，不能很好地反映视场边缘部分物体的细节。
中国发明专利CN201110331166.8公开的利用全景环带透镜实现全景望远组合成像系统及其方法，利用位于同一光轴上的望远镜组与全景环带透镜，将环带像面对应的景物经望远镜组与全景透镜放大后成像在盲区，以提高单一传感器的像元利用率，同时实现了全景与望远的双重功能，但其成像面的大小仍然受单个CCD或CMOS图像传感器尺寸大小的限制，且望远镜组与全景环带透镜的组合设计、望远镜组的转动扫描机构给光学、机械的设计、加工和系统装调都带来了很大的难度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种全景成像装置及方法。
 一种全景成像装置，所述装置包括：折反式全景环带镜头、锥形光学纤维面板、图像传感器、图像处理单元和图像显示单元。
所述折反式全景环带镜头用于得到圆环形的大成像面，并将该大成像面平均分成若干等份的子像面与多个所述的锥形光学纤维面板相匹配，锥形光学纤维面板再将各子像面上的光学图像传递到多个所述图像传感器上，所有图像传感器上的图像再经所述图像处理单元先展开成矩形图像后再拼接成全景图像，最后，该全景图像送到所述的图像显示单元显示出来。
所述折反式全景环带镜头是长焦距大成像面折反式全景环带镜头，焦距在-30mm～-10mm范围内，F数在6～12范围内，工作在可见光波段，成像在球面上的环带区域或是平面上的环带区域。
所述锥形光学纤维面板是放大率小于1的方形对长方形或扇环形对长方形的锥形光学纤维面板，其大端为平面或球面，小端为平面，且每个锥形光学纤维面板大端的尺寸与所述折反式全景环带镜头大成像面分割成的子像面或经扩展后的子像面相匹配，小端的尺寸与所述的图像传感器相匹配。
所述图像传感器为CCD或CMOS图像传感器。
一种所述的全景成像装置的成像方法，围绕折反式全景环带镜头第一面外360度的景物经系统后成像在系统后方像面处得到一个圆环形像面，该像面被平均分割成多个子像面，各个子像面上的图像经与之匹配的锥形光学纤维面板传递到对应的图像传感器上，图像处理单元将各个图像传感器上的图像展开成矩形图像后再按其在圆环形成像面上的次序依次拼接起来，得到矩形全景图像，最后全景图像传送到显示单元进行显示。
本发明的有益效果：使长焦距大成像面折反式全景环带镜头的大圆环形像面和图像传感器更好地匹配，利用多个图像传感器进行图像拼接以得到更大的像面，同时可以提高视场边缘部分的图像分辨率。使用锥形光纤面板还可以不受成像面为平面的限制，可以将折反式全景环带镜头的像面设计成球面，再由大端也是球面的锥形纤维面板将球面上的图像传递给图像传感器，这样对折反式全景环带镜头的光学像差场曲的要求可以放松，有利于减轻光学系统的设计难度。如果在折反式全景环带镜头和图像传感器之间使用扇环形对长方形的锥形光学纤维面板传递图像还可以进一步提高图像传感器的像元利用率。制造成本低，有助于大规模应用。
附图说明
图1是锥形光学纤维面板的示意图。
图2是折反式全景环带镜头圆环形成像面示意图。
图3是实施例1中全景成像装置的结构示意图。
图4是实施例1中成像面子像面的分割方式示意图。
图5是实施例1中锥形光学纤维面板与折反式全景环带镜头圆环形像面和CCD\CMOS图像传感器相对关系示意图。
图6是实施例2中全景成像装置的结构示意图。
图中，折反式全景环带镜头1、锥形光学纤维面板2、图像传感器3、图像处理单元4、图像显示单元5。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，锥形光学纤维面板2的放大（或缩小）倍数就是锥体本身大端直径和小端直径之比，成品锥形光学纤维面板2的放大倍数一般可达5：1，特殊应用时可达10：1。
如图2所示，折反式全景环带镜头1因其第一面反射镜结构的原因，中间视场的光线被第一面反射镜阻挡而不能进入后续光组，成像区域为圆环形，中心为盲区。
本发明将长焦距大成像面折反式全景环带镜头1所成的球面上或平面上的圆环形大成像面平均分割成多个扇环形的子像面，各子像面再经过大端为方形或扇环形、小端为长方形的锥形光学纤维面板2（折反式全景环带镜头的像面为球面时，大端也为球面；折反式全景环带镜头的像面为平面时，大端也为平面）传递给对应的图像传感器3。将各图像传感器上的图像通过图像处理单元4先展开成矩形图像再按在圆环形大成像面上的先后顺序拼接起来，这样就可以利用多个小探测器得到整个折反式全景环带镜头所成的大像面的全景图像，最后该全景图像送图像显示单元5进行显示。
实施例1  成像面为平面的全景成像装置
如图3所示， 经优化设计后得到的焦距在-30mm～-10mm范围内，F数在6～12范围内的工作在可见光波段上的折反式全景环带镜头，其圆环形的像面在平面上，圆环尺寸外圈直径范围在60～80mm，内圈直径范围在10～30mm。缩小比为5：1的大端为方形、小端为长方形（大小端的端面均为平面）的锥形光学纤维面板把折反式全景环带镜头的圆环形像面上的图像传递给CCD\CMOS图像传感器。
如图4所示，该圆环形像面被平均分割成4个扇环形的子像面（A、B、C、D）。如图5所示，每个子像面扩展成方形的区域与一个锥形光学纤维面板的方形的大端相匹配，锥形光学纤维面板长方形（长宽比为4：3）的小端则与一个CCD\CMOS图像传感器相匹配。
各CCD\CMOS图像传感器再与图像处理单元和图像显示单元电性连接。
实施例2 成像面为球面的全景成像装置
如图6所示，经优化设计后得到的焦距在-30mm～-10mm范围内，F数在6～12范围内的工作在可见光波段上的折反式全景环带镜头，其圆环形的像面在球面上，圆环尺寸外圈直径范围在60～80mm，内圈直径范围在10～30mm。缩小比为5：1的大端为扇环形、小端为长方形（大端的端面为球面，小端的端面为平面）的锥形光学纤维面板把折反式全景环带镜头的圆环形像面上的图像传递给CCD\CMOS图像传感器。
折反式全景环带镜头球面成像面上的圆环形像面被平均分割成4个扇环形的子像面。每个子像面与一个大端为扇环形的锥形光学纤维面板（大端端面为球面）相匹配，锥形光学纤维面板长方形（长宽比为4：3）的小端则与一个CCD\CMOS图像传感器相匹配。
各CCD\CMOS图像传感器再与图像处理单元和图像显示单元电性连接。
实施例3 全景成像方法
围绕折反式全景环带镜头第一面外360度的景物经系统后成像在系统后方像面处得到一个圆环形像面（在球面或平面上），该像面被平均分割成4个扇环形的子像面，各子像面上的图像通过与之匹配的锥形光学纤维面板传递到对应的CCD\CMOS图像传感器上，各个CCD\CMOS图像传感器上的图像经图像处理单元展开成矩形图像后再按其在圆环形成像面上的次序依次拼接起来，得到矩形全景图像。最后把该全景图像通过图像显示单元进行显示。

Claims (5)

1.一种全景成像装置，其特征在于，所述装置包括：折反式全景环带镜头、锥形光学纤维面板、图像传感器、图像处理单元和图像显示单元；
所述折反式全景环带镜头用于得到圆环形的大成像面，并将该大成像面平均分成若干等份的子像面与多个所述的锥形光学纤维面板相匹配，锥形光学纤维面板再将各子像面上的光学图像传递到多个所述图像传感器上，所有图像传感器上的图像再经所述图像处理单元先展开成矩形图像后再拼接成全景图像，最后，该全景图像送到所述的图像显示单元显示出来。
2.根据权利要求1所述的全景成像装置，其特征在于，所述折反式全景环带镜头是长焦距大成像面折反式全景环带镜头，焦距在-30mm～-10mm范围内，F数在6～12范围内，工作在可见光波段，成像在球面上的环带区域或是平面上的环带区域。
3.根据权利要求1所述的全景成像装置，其特征在于，所述锥形光学纤维面板是放大率小于1的方形对长方形或扇环形对长方形的锥形光学纤维面板，其大端为平面或球面，小端为平面，且每个锥形光学纤维面板大端的尺寸与所述折反式全景环带镜头大成像面分割成的子像面或经扩展后的子像面相匹配，小端的尺寸与所述的图像传感器相匹配。
4.根据权利要求1所述的全景成像装置，其特征在于，所述图像传感器为CCD或CMOS图像传感器。
5.一种根据权利要求1所述的全景成像装置的成像方法，其特征在于，围绕折反式全景环带镜头第一面外360度的景物经系统后成像在系统后方像面处得到一个圆环形像面，该像面被平均分割成多个子像面，各个子像面上的图像经与之匹配的锥形光学纤维面板传递到对应的图像传感器上，图像处理单元将各个图像传感器上的图像展开成矩形图像后再按其在圆环形成像面上的次序依次拼接起来，得到矩形全景图像，最后全景图像传送到显示单元进行显示。
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