CN106483636A - 用于极宽的视场的模块化透镜 - Google Patents

Abstract

一种模块化复合透镜包括基本单元，该基本单元具有能够在光圈值为1.7的情况下将大约为100度的视场成像的五个有源光学元件。复合透镜呈现出不多于10％的图像失真和高达每毫米100线对的近乎衍射受限的调制传递函数(MTF)。可以将另外的光学部件添加至复合透镜以在不改变光圈值的情况下以及在不显著增大像差的情况下如所期望的那样使视场变宽。

Description

用于极宽的视场的模块化透镜

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年8月25日提交的标题为“MODULAR LENS FOR EXTREMELY WIDEFIELD OF VIEW”的美国临时申请62/209,716号的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

背景技术

本文中所公开的主题总体上涉及成像系统，并且更具体地涉及模块化复合透镜，该模块化复合透镜具有能够以小图像失真对宽视场成像的五个有源元件。

发明内容

下文呈现了简化概述以便提供对本文中所描述的一些方面的基本理解。该概述既不是广泛的综述也不旨在确定关键的/决定性的要素或旨在描绘本文中所描述的各个方面的范围。该概述的唯一目在于以简化形式呈现一些概念作为稍后呈现的更详细的描述的前序。

在一个或更多个实施方式中，提供了一种复合透镜，该复合透镜包括：第一初级有源光学元件，该第一初级有源光学元件被配置成收集并且折射来自第一视场的第一光以产生第一折射光；第一次级有源光学元件，该第一次级有源光学元件被配置成使来自第一初级光学元件的第一折射光折射以产生第二折射光；以及组合部件，该组合部件被配置成接收来自第一次级有源光学元件的第二折射光并且沿复合透镜的光路将第二折射光引导向一个或更多个下游光学元件，其中，复合透镜对至少为100度的视场成像。

另外，一个或更多个实施方式提供了一种用于收集和聚焦来自宽视场的光的方法，该方法包括：由复合透镜的第一初级有源光学元件使来自第一视场的第一光折射以产生第一折射光；由复合透镜的第一次级有源光学元件使来自第一初级光学元件的第一折射光折射以产生第二折射光；将来自第一次级有源光学元件的第二折射光提供至复合透镜的组合部件；以及由组合部件将第二折射光沿复合透镜的光路引导向一个或更多个下游光学元件，其中，复合透镜对至少为100度的视场成像。

此外，根据一个或更多个实施方式，提供了一种用于对宽视场成像的系统，该系统包括：用于在复合透镜处使接收到的来自第一视场的第一光折射以产生第一折射光的装置；用于使第一折射光折射以产生第二折射光的装置；以及用于沿复合透镜的光路将第二折射光引导向一个或更多个下游光学元件的装置，其中，用于使第一光折射的装置、用于使第一折射光折射的第二装置、用于引导的装置以及一个或更多个下游光学元件对至少为100度的视场成像。

为了实现前述和相关的目的，本文中结合下面的描述和附图来描述某些说明性的方面。这些方面表示可以被实践的各种方式，各种方式中的所有方式旨在涵盖于本文中。根据下面结合附图考虑时进行的详细描述，其他优点和新型特征可以变得明显。

附图说明

图1是示出了由示例非限制性照明和成像系统对图像进行捕获的图，该示例非限制性照明和成像系统包括照明器和成像系统。

图2是示出了由双高斯透镜和鱼眼透镜提供的示例视场的图。

图3是包括五个有源元件的示例模块化复合透镜的示例性单元的图。

图4是将大约为100度的视场成像的示例模块化透镜的图。

图5是包括两个初级-次级对的示例复合透镜的图。

图6是示出了由模块化复合透镜通过组合两个视场而获得的合成视场的图。

图7是包括三个初级-次级对的复合透镜的图。

图8是示出了由模块化复合透镜通过组合三个视场而获得的合成视场的图。

图9A是关于具有窄视场的示例复合透镜的基本单元组件的三维全视图。

图9B是关于具有窄视场的示例复合透镜的基本单元组件的三维剖视图。

图10是示出了关于具有窄视场的示例复合透镜的视场的侧视图和俯视图。

图11A是将第二初级-次级对和第三初级-次级对添加至复合透镜的基本单元的示例模块化复合透镜的三维全视图。

图11B是将第二初级-次级对和第三初级-次级对添加至复合透镜的基本单元的示例模块化复合透镜的三维剖视图。

图12是绘制出关于示例模块化复合透镜的MTF的曲线图。

图13是绘制出由示例模块化复合透镜捕获的图像的失真作为视场的函数的曲线图。

图14是用于使用模块化复合透镜来生成具有宽视场的图像的示例方法的流程图。

具体实施方式

现在参照附图来描述本主题公开内容，其中，贯穿全文，相同的附图标记用于指代相同的元件。在下面的描述中，出于说明的目的，阐述了许多特定细节以提供对本主题公开内容的透彻理解。然而，应当明白，可以在不需要这些特定细节的情况下实施本主题公开内容。在其他实例中，以框图的形式示出了公知的结构和装置以利于对本主题公开内容的描述。

如本文中所使用的，术语“或”旨在意味着包括性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另外说明或根据上下文明确看出，否则短语“X采用A或B”旨在意味着任何自然的包括性置换。也就是说，短语“X采用A或B”是由以下实例中的任一实例来满足的：X采用A；X采用B；或者X采用A和B二者。此外，如本申请和所附权利要求中使用的冠词“a”和“an”通常应当被解释为意味着“一个或更多个”，除非另外说明或根据上下文明确看出指示单数形式。

此外，本文中所使用的术语“集合”排除空集；例如其中没有元素的集合。因此，本主题公开内容中的“集合”包括一个或更多个元素或实体。作为例示，控制器的集合包括一个或更多个控制器；数据资源的集合包括一个或更多个数据资源；等等。同样地，如本文中所使用的术语“组”指代一个或更多个实体的集合；例如，一组节点指代一或更多个节点。

将根据可以包括若干装置、部件、模块等的系统呈现各个方面或特征。应当理解并认识到的是，各个系统可以包括另外的装置、部件、模块等，以及/或者可以不包括结合附图所讨论的所有装置、部件、模块等。还可以使用这些方法的组合。

图1是示出了由示例非限制性照明和成像系统100对图像进行捕获的简化图，该示例非限制性照明和成像系统100包括照明器102和成像系统118。照明器102和成像系统118可以是例如商用摄像装置或更专业的摄像装置例如多光谱或超光谱成像摄像装置的部件，或者可以是能够生成关于视场内的点的距离信息的飞行时间(TOF)摄像装置(也被称为三维图像传感器)的部件。在该示例中，系统包括成像系统118和集成的照明器102二者，其中，该成像系统118基于来自视场的散射光来记录图像，并且该集成的照明器102将光104投射到视场中。然而，一些系统可以不使用照明器而是替代地可以只使用视场内可用的环境光来收集图像信息。

如果使用照明器102，则照明器102将光104发射到待成像的观察区中。所发射的光中入射在视场内的固体物体和表面(例如固体108、110和112以及墙壁106)上的部分由被照射的物体和表面散射为散射光114。由成像系统118的透镜来接收和收集一子组散射光116，并且成像系统118内的图像捕获部件(例如光电二极管阵列、电荷耦合装置、互补金属氧化物半导体、感光胶片或乳剂等)记录从物体和表面散射的光线116作为图像(或者在三维成像系统的情况下作为一组点云数据)。可替选地，如果未使用照明器，则成像系统118的透镜替代地收集和聚焦从透镜的视场内的物体和表面散射的环境光。

成像系统的视场的范围取决于用于收集和聚焦散射光的透镜的类型。宽视场通常需要由多个简单的透镜组成的复合透镜或透镜组件。尽管许多透镜能够产生清晰的高分辨率图像，但是由透镜聚焦的光产生的图像通常包含像差或图像失真，像差或图像失真取决于用于产生图像的透镜的几何结构和材料。这些像差通常在透镜的视场的边缘处增大。为了补偿和平衡光学像差，复合透镜的设计者经常选择具有屈光本领和不同的折射特性的光学元件的组合。

通常，因为所期望的视场增大，所以组成复合透镜的透镜元件的数目也必须增加。例如，库克(Cooke)透镜是三片式透镜，该三片式透镜包括被布置在两个冕牌玻璃元件之间的负火石玻璃元件。由该配置产生的视场被某一最大角度(例如40度)所限制。为了增大视场的角度超出库克三片式透镜能够具有的该最大值，必须添加第四个元件。这样的透镜的一个示例例如天塞透镜包括四个光学元件——两个冕牌玻璃元件和两个火石玻璃元件。该配置产生相对于库克透镜更宽的视场。虽然库克透镜和天塞透镜被更先进的透镜取代，但已经看到的是，随着移动电话相机的出现两种透镜重新越来越受欢迎。

透镜的光圈值确定透镜的入射光瞳。透镜收集光通量或辐射通量的能力与透镜的光圈值的平方成反比。因此，低光照环境中的摄像装置需要低光圈值。在保持光圈值恒定的同时增大视场需要增加透镜元件的数目。然而，增加元件的数目通常会引起图像像差相应地增大，从而损害图像质量。例如，如图2所示，双高斯透镜202可以实现大约为40度的视场，而鱼眼透镜204可以产生宽得多的210度的视场。然而，虽然从双高斯透镜转换成鱼眼透镜增大了视场，但部分地由于组成鱼眼透镜的光学元件的数目更多，所以该视场的增大是以更大的图像失真为代价的。

本公开内容的一个或更多个实施方式提供了一种模块化复合透镜，该模块化复合透镜包括具有五个有源光学元件的基本单元，该五个有源光学元件用于将视场成像在焦平面上以用于由传感器进行捕获。模块化复合透镜可以在光圈值低至1.7的情况下将大约为100度的视场成像。复合透镜呈现出不多于10％的失真和高达每毫米100线对(lp/mm)的近乎衍射受限的调制传递函数(MTF)。在一些实施方式中，该低水平的失真可以通过由成像系统的处理器执行的映射算法或使用存储在成像系统上的查找表来衰减或校正。可以以模块化的方式将另外的光学元件添加至复合透镜的基本单元以在不改变光圈值并且不显著增大图像像差的情况下如所期望的那样使视场变宽。

图3是示出了根据一个或更多个实施方式的模块化复合透镜300的图。复合透镜300包括五个有源光学元件，五个有源光学元件被对齐以形成光路——初级元件302、次级元件304、第三级元件308、第四级元件312和第五级元件314。复合透镜300还包括非有源组合器306和滤光器310，其中，该非有源组合器306位于光路内的次级有源元件304后面，并且该滤光器310被设置在第三级元件308后面。如在下面更详细地所描述的，组合器306可以用于在保持低水平的图像像差的同时以模块化的方式增大视场的角度。在图3中所示的示例中，复合透镜300的光学元件将从视场中的物体或多个物体散射的光聚焦至成像系统(例如摄像装置、光谱成像系统、3D成像系统等)的传感器316，以产生视场中的一个或更多个物体的图像。初级元件302收集从整个复合透镜300的视场内的物体和表面散射的光线，其中，所收集的光线包括从物体和表面散射的所有光线的一小部分。次级元件304透射来自初级元件的光线，从而使光线弯曲并且进一步经由组合器306和滤光器310将光线透射至其他有源元件308、312以及314。每个有源元件使光折射并且将光透射至光路中的下一元件。复合透镜300的有源元件共同地使光线聚焦至传感器316，该传感器316基于入射至传感器316的表面上的聚焦光来捕获视场的图像。传感器316可以包括例如光电二极管阵列、电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)、感光胶片或乳剂或者另一类型的图像记录装置。

在各种实施方式中，五个有源元件302、304、308、312和314可以包括透镜类型的任何合适的组合，所述透镜类型包括但不限于平凸透镜、正和/或负弯月形透镜、双凹透镜、双凸透镜等。有源元件可以包括任何合适类型的光学材料，该任何合适类型的光学材料包括但不限于冕牌玻璃或火石玻璃、晶体、聚合物等。另外，在不脱离本公开内容的一个或更多个实施方式的范围的情况下，一个或更多个折射型透镜元件可以由衍射型元件例如二元透镜或全息光学元件来替换。如图4所示，复合透镜300的一个或更多个实施方式能够在光圈值为1.7的情况下将大约为100度(例如100×100度)的宽角度的视场成像。图像失真不大于10％并且复合透镜300呈现出高达100lp/mm的近乎衍射受限的MTF。在一些实施方式中，可以使用由与透镜相关联的成像系统执行的软件(例如映射算法、查找表等)来进一步减小该失真。

图3和图4中所示的光学元件共同地组成复合透镜300的基本单元。基本单元充当基本的复合透镜，其中，另外的模块化部件可以被添加至该基本的复合透镜以便增大视场。例如，可以通过添加第二初级元件302和第二次级元件304来使由复合透镜提供的视场变宽至两倍至大约为200度(例如，100×200度)。在正交地完成组合(两个视场具有90度的角间距)的实施方式中，组合的视场变成190度。图5是将具有190度的角度的视场成像的示例复合透镜500的图。在该示例中，复合透镜500的基本元件包括初级元件302a、次级元件304a、组合器306、第三级元件308、滤光器310、第四级元件312和第五级元件314，这些元件与复合透镜300的对应的有源元件类似。为了使视场的角度几乎变宽至两倍，第二初级元件302b和第二次级元件304b被添加至复合透镜500的基本单元。初级元件302a使光聚焦至次级元件304a，而初级元件302b使光聚焦至次级元件304b。因此，初级元件302a和次级元件304a组成第一初级-次级对，而初级元件302b和次级元件304b组成第二初级-次级对。由元件302b和304b组成的第二初级-次级对被定位成相对于关于组合器306对称的第一初级-次级对成90度，该组合器306组合来自这两个初级-次级对的光线以穿过其他元件308、310、312和314。两个初级-次级对中的每个可以将大约为100度的视场成像。因此，通过将由相应的初级-次级对收集的两个视场502a和502b组合来将两个初级-次级对取向为彼此呈90度有效地使视场的宽度变宽至两倍至大约为190度(例如，几乎为100×200度)。图6是示出了由复合透镜500通过将经由两个初级-次级对接收到的两个视场502a和502b进行组合所获得的合成视场的图。

第二初级-次级对的添加和视场对应的变宽至两倍不改变复合透镜500的光圈值，该光圈值仍然为1.7。此外，第二初级-次级对的添加不影响所观测的像差，并且从而在添加第二初级-次级对的情况下图像失真和MTF相对于复合透镜300保持不变。

在各种实施方式中，组合器306可以包括用于将来自由两个初级-次级对提供的两个视场502a和502b的光线组合的任何合适的光学或机电部件。例如，在一个或更多个实施方式中，复合透镜500可以被配置成使用不同的波长或颜色来区分两个视场。在这样的实施方式中，组合器306可以是二向色分束器立方体，该二向色分束器立方体被配置成将从次级元件304a和304b接收到的不同颜色的光线组合。根据示例技术，复合透镜500可以包括一个或更多个光谱滤光器，一个或更多个光谱滤光器在透射至组合器306之前透射来自与两个视场被照射的波长对应的两个视场502a和502b中的每个视场的光，使得出现在两个视场中的每个视场中的波长驻留在两个单独的颜色范围中。图5描绘出光谱滤光器310被设置在组合器306后面的实施方式。将光谱滤光器310设置在组合器306后面的优点是这样的实施方式仅需要具有与所关注的两个波长兼容的透射光谱的单个滤光器。这样的光谱滤光器310可以被放置在相对于有源元件的组合器306后面的任何地方(即，在第三级元件、第四级元件和第五级元件中的任何两个元件之间或者组合器306与第三级元件308之间)。组合器306可以包括二向色分束器立方体，该二向色分束器立方体被配置成透射第一视场502a的第一波长范围内的光并且反射第二视场502b的第二波长范围内的光。因此，当来自两个视场的光线(经由初级元件和次级元件)进入二向色分束器立方体的相应的两个相邻侧面时，这两束光线均从分束器立方体的第三侧面投射出作为沿其他透镜元件308、310、312和314的光路的组合光束。二向色分束器立方体可以被配置成组合单色光线或多色光线，假设来自两个视场的标志颜色的光不同而使得组合器306可以将两个视场进行区分。

在另一示例实施方式中，复合透镜500可以使用两个视场502a和502b的偏振差异以利于对两个视场进行组合。在这样的实施方式中，组合器306可以是偏振分束器立方体，该偏振分束器立方体被配置成将来自两个视场的不同的偏振光组合。例如，复合透镜500可以被配置成在光到达组合器306之前(例如使用放置在光路中的、组合器306之前的偏振滤光器，或使用其他偏振装置)使从第一视场502a接收到的光在第一方向上偏振。同样地，复合透镜500可以被配置成在光到达组合器306之前使从第二视场502b接收到的光在不同的第二方向上偏振，从而使来自两个视场的光的极性不同。被实施为偏振分束器立方体或被配置成将具有不同极性的两个或更多个光束组合的另一部件的组合器306可以被配置成反射具有第一极性的光并且透射具有第二极性的光。因此，通过将来自两个视场的光束引导向偏振分束器立方体的两个相邻的表面上，光束被组合并且从分束器立方体的第三表面沿其他元件308、310、312和314的光路被引导。

对于使用上面所描述的分束技术以组合来自两个视场的光线的实施方式而言，复合透镜500可以使用被布置在第五级元件314的下游的第二补偿分束器来将针对两个视场的光线分离。例如，对于使用二向色分束器立方体将两个视场502a和502b组合的实施方式而言，具有与组合器306相同的截止波长的第二二向色分束器可以被布置在复合透镜内的第五级元件314的下游。第二二向色分束器可以接收组合光束并且例如通过基于第一视场的光线的第一颜色标志透射第一视场的光线以及基于第二视场的光线的第二颜色标志反射第二视场的光线来将两个视场的区分了颜色的光信息分离。然后，图像处理部件可以处理分离光束以产生关于两个视场的图像数据并且将得到的图像数据组合成复合的广角图像。类似地，对于组合器306是偏振分束器立方体的实施方式而言，可以使用第二偏振分束器立方体来分离两个视场的光线，该第二偏振分束器立方体接收来自第五级元件314的组合光束。第二偏振分束器立方体可以基于两个视场的有区别的光极性而从组合光束分离出光信息。

在一个或更多个实施方式中，作为对上面所描述的分束技术的替代，组合器306可以通过使对来自两个初级-次级对的光束的获取进行时间交织将来自两个视场502a和502b的光束组合。在这样的实施方式中，组合器306可以包括机电机械装置例如转向镜、光电阀或能够选择性地将来自两个视场的光束中的一个光束或另一个光束传递至其他光学元件308、310、312和314的其他装置。组合器306通过由与成像系统的传感器相关联的图像处理部件根据已知的时间序列在两个光束之间交替来组合两个视场，从而以时间交织的方式沿相同的光路发送来自两个视场的光线。然后，第五级元件314下游的图像处理部件(例如CCD、CMOS等)可以与组合器同步地读取两个视场的时间交织的光线以将包含在组合光束中的两组数据分离。

在又一实施方式中，组合器可以由立方体分束器来实现，该立方体分束器将从每个视场接收到的每个光束的大约一半光束透射和反射。因此，从每个视场所收集的光线的约50％被透射至传感器，而50％被丢弃。在充分照射的情况下，这种丢弃可以不算问题。

虽然上面描述了关于组合器306的若干示例实现方式(颜色分束、极性分束、时间交织分束等)，但应当理解的是，复合透镜500的一些实施方式可以使用其他装置或通过联合使用上面所描述的光组合技术中的任意两种或更多种光组合技术来组合来自两个视场的光线。

为了根据分离的视场信息获取合成图像，复合透镜500将分离光束信息引导向成像系统的一个或更多个记录装置例如固态传感器(例如光电二极管阵列、CCD或CMOS)、感光胶片或乳剂等。复合透镜500的各种实施方式可以使用任何合适的技术以根据两个视场生成合成图像同时防止来自不同的视场的图像信息重叠。例如，当两个视场的光束已经从组合光束分离时，复合透镜500内的光处理部件可以将两束光束引导朝向成像装置(例如光电二极管阵列、CCD、CMOS、感光胶片等)的图像平面的不同区域，使得两个视场沿两个视场之间的具有最小重叠或没有重叠的校正边缘接合。可替选地，可以由不同的固态传感器来处理分离光束以产生关于两个视场的图像信息，并且图像信息可以被软件例程接合以产生合成图像。

还可以通过将第三初级-次级对添加至基本单元使由本文中所描述的复合透镜的一个或更多个实施方式提供的视场增大至大约为280度(例如，100×280度)。图7是将第三初级-次级对——包括第三初级元件302c和第三次级元件304c——添加至图5中所描绘的复合透镜设计的复合透镜700的图。第三初级-次级对被定位成与第一初级-次级对(包括初级元件302a和次级元件304a)关于组合器306对称地成90度。正如添加第二初级-次级对那样，添加第三初级-次级对不会不利地影响相对于复合透镜300与复合透镜700而言得到的广角图像的光圈值、失真或MTF。图8是示出了由复合透镜700通过将经由三个初级-次级对接收到的视场702a、702b和702c进行组合所获得的合成视场的图。

与复合透镜500类似，来自三个视场702a至702c的光可以被组合器306聚合，然后，该组合器306沿各透镜的光路将聚合光线引导向其他元件308、310、312。对于包括第三初级-次级对的实施方式而言，色彩分散(例如使用二向色分束器作为组合器306)和时间交织机制二者仍然为用于组合三个视场的光线的合适选择。然而，用于组合光线的其他组合技术均在本公开内容的一个或更多个实施方式的范围内。

可以通过添加一个或更多个另外的初级-次级对来使由本文中所描述的复合透镜提供的视场进一步变宽。例如，第四初级-次级对可以被添加至面向相对于初级元件302a和次级元件304a的相反方向的基本单元，从而得到360度(例如100×360度)的视场。在另一示例配置中，第四初级-次级对可以被取向成与图7中所描绘的其他三个初级-次级对成90度(例如面向垂直于其他三个对)。该布置将视场从100×280度增大至190×280度。总之，初级-次级对的任何组合可以在六个取向(向前、向后、向左、向右、向上、向下)中的任一定取向上以模块化的方式被纳入复合透镜中以实现所期望的视场(例如，100×100、100×190、100×280、100×360、190×190、190×280、280×280、280×360、360×360等)。

图9A是关于具有窄视场的复合透镜900的部件的示例组件的三维全视图，图9B是复合透镜900的三维剖视图。在一个或更多个实施方式中，如图10中所示的俯视图和侧视图(应当理解的是，图10中的“俯视图”和“侧视图”的命名是任意的，并且视图的方向取决于给出的上下文中的透镜的取向)中所示，复合透镜900可以产生大约为2×100度的视场。与上面所描述的复合透镜类似，复合透镜900包括有源初级元件302和有源次级元件304，其中，有源初级元件302和有源次级元件304组成初级-次级对。复合透镜900还包括沿光路对齐的组合器306、第三级元件308、滤光器310、第四级元件312和第五级元件314。五个有源元件共同地将来自视场的散射光聚焦至传感器316或其他成像部件。在该示例中，初级元件302和次级元件304均被配置成收集和折射来自为2×100度的窄视场的光并且将光引导向组合器306。

如上面的示例中所描述的，可以通过添加第二初级-次级对变宽视场，或者如果需要，可以通过添加第三初级-次级对进一步变宽视场。图11A是将第二初级-次级对和第三初级-次级对添加至复合透镜的基本单元的示例复合透镜1100的三维全视图。包括初级元件302b和次级元件304b的第二初级-次级对被取向成与第一初级-次级对关于组合器306对称地呈90度。同样地，包括初级元件302c和次级元件304c的第三初级-次级对被取向成与第一初级-次级对关于组合器306对称地呈90度(即，面向相对于第二初级-次级对的相反方向)。组合器306将来自先前示例中所描述的三个初级-次级对的光线组合并且沿透镜的光路将组合光束经由其他透镜部件308、310、312和314(其中，元件310是无源滤光器)引导向传感器316。虽然图11A和图11B描绘出被添加至基本单元的两个另外的初级-次级对，但应当理解的是，取决于所需要的视场，可以将更多或更少的对添加至基本单元。例如，可以通过添加面向相对于第一初级-次级对的相反方向的第四初级-次级对将复合透镜1100的视场从2×280度变宽至2×360度。

图12是绘制出MTF与复合透镜1100的空间频率进行对照的曲线图，该曲线图示出了近衍射极限性能，其中视场的边缘处(在50度的半角处)的MTF大约为关于100lp/mm的50％(对于切向平面的40％以及对于径向平面的60％的平均值)。这表明针对比100cy/mm显著地更大的空间频率也实现可观测的对比度。图13是绘制了生成图像的失真作为关于复合透镜1100的视场的函数的曲线图，同时示出了最大不超过10％的绝对值。在一些实施方式中，可以由成像系统的处理单元使用合适的软件来减小或校正该失真。

在图11A和图11B中所描绘的窄视场的实施方式(以及包括多于一个初级-次级对的其他窄视场的实施方式)中，多个视场可以被组合并且随后使用上面所描述的组合和分离技术中的任一种技术被分离。此外，窄视场透镜的一个或更多个实施方式可以通过控制组合器306的倾斜度(或用于根据组合光束使视场分离的第二分束器的倾斜度)来分离组合视场，使得不同的视场的光学数据被引导向图像平面的相应的不同区域。例如，组合器的倾斜度或分离分束器的倾斜度可以被控制成使得不同的视场的图像数据被引导向光电二极管阵列、CCD或CMOS的各个不同的(平行的)像素行。

上面所描述的模块化复合透镜可以实现具有低图像失真(例如小于10％)和近乎衍射受限的MTF(例如，小于100lp/mm)的超过90度的宽视场。复合透镜设计使得能够通过以模块化的方式绕组合器添加另外的光学部件来增大视场，该组合器将来自多个光学部件的光线集成为单光束并且将组合光束引导向下游的透镜部件以用于图像处理。此外，通过添加这些模块化部件来增大视场并不改变透镜的光圈值。该设计利于在保持较小的光学元件总数目的情况下将具有极宽的角度的视场成像。

上面所描述的复合透镜的实施方式可以被并入基本上任何类型的成像系统的部件，任何类型的成像系统包括但不限于商用摄像装置(例如数字相机、胶片摄像机等)、多光谱成像摄像装置、超光谱成像摄像装置等。复合透镜还可以结合三维成像系统例如飞行时间摄像装置来使用，该飞行时间摄像装置能够测量视场的景深或距离信息。例如，当在TOF摄像装置中用于三维成像时，复合透镜用于获取调制光(例如脉冲调制光)，该调制光被照明系统发射到视场中并且被视场内的物体和表面散射。复合透镜获取一子组被物体散射的调制光，并且复合透镜的有源光学元件将所获取的调制光引导向TOF摄像装置内的感测元件。基于对朝向视场内的点透射调制光脉冲与检测到来自该点的返回脉冲之间经过的时间的测量结果，TOF摄像装置确定该点距摄像装置的距离。通过收集关于跨视场的点阵列的这样的距离信息，TOF摄像装置可以生成包含视场的景深信息(例如，点云数据)的三维图像。

图14示出了根据本主题申请的一个或更多个实施方式的方法。尽管出于使说明简单的目的，本文中所示的方法被示出并且被描述为一些列动作，但应当理解并且认识到的是，但本主题发明不受动作的顺序限制，这是因为一些动作可以根据本主题发明以不同的顺序和/或与根据本文中所示出和所描述的动作中的其他动作同时发生。例如，本领域技术人员将理解并且认识到的是，方法论可以可替选地被描述成一系列的相关的状态或事件例如在状态图中的一系列的相关的状态或事件。此外，不是所有示出的动作可以被要求用于实现根据本发明的方法。此外，当不同的实体实行方法的不同部分时，交互图可以表示根据本主题公开内容的方法论或方法。另外，所公开的示例方法中的两个或更多个方法可以以相互组合的方式被实现，以实现本文中所描述的一个或更多个特征或优点。

图14示出了用于使用模块化复合透镜来生成具有宽视场的图像的方法论1400。在最初时，在1402处，来自第一视场的散射光经由复合透镜的第一光学部件被接收。第一光学部件可以包括例如复合透镜的指向第一视场的初级透镜和次级透镜。在1404处，来自第二视场的第二散射光经由复合透镜的第二光学部件被接收。第二光学部件可以包括例如复合透镜的指向第二视场的第二初级透镜和第二次级透镜。在一个或更多个实施方式中，第二光学组合的轴线可以被取向为相对于第一光学组合的轴线呈90度。

在1406处，使用复合透镜的组合部件将来自第一散射光的光线和来自第二散射光的光线组合以产生组合光束。组合部件可以包括例如二向色分束器立方体、偏振分束器立方体、转向镜或光电阀、或者另一类型的组合元件，其中，该转向镜或光电阀通过使从第一光学部件接收到的第一光和从第二光学部件接收到的第二光进行时间交织来组合光线。在1408处，沿复合透镜的光路将组合光束引导向一个或更多个图像生成部件。光路可以包括若干其他有源光学元件，若干其他有源光学元件被取向在组合元件与图像生成部件之间。

在1410处，从组合光束中将第一视场的光线和第二视场的光线恢复并且分离。例如，如果二向色或偏振分束器立方体用于在步骤1406处组合光线，则补偿分束器立方体可以用于从组合光束中分离光线。在1412处，基于所恢复的光线来生成第一视场和第二视场的组合图像。

上面所描述的内容包括本主题发明的示例。当然，为了描述所公开的主题内容的目的，不可能描述部件或方法的每个可想到的组合，但本领域普通技术人员可以认识到本主题发明的许多其他组合和排列是可能的。因此，所公开的主题内容旨在涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有这样的更改、修改和变化。

特别地并且对于由上述部件、装置、电路和系统等执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这样的部件的术语(包括所引用的“装置”)旨在与执行所描述的部件的指定功能(如功能等同物)的任何部件相对应，尽管其在结构上与所公开的结构不等同，但执行本文所示的所公开主题内容的示例性方面中的功能。在这一点上，还将认识到所公开的主题内容包括系统以及具有用于执行所公开主题内容的各种方法的动作和/或事件的计算机可执行指令的计算机可读介质。

另外，尽管可能已经针对若干实现方式中的仅一个实现方式公开了所公开主题内容的特定特征，这样的特征可以与其他实现方式中的一个或更多个其他特征进行组合，这对于任何给定或特定应用来说可能是期望的和有利的。此外，对于在详细描述或权利要求中使用的术语“包括(includes和including)”及其变型而言，这些术语以与术语“包括(comprising)”相类似的方式旨在是包含性的。

在本申请中，词语“示例性”用于指用作示例、实例或说明。本文中被描述为“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为优于或胜过其他方面或设计。相反，词语“示例性”的使用旨在以具体形式呈现构思。

本文中所描述的各个方面和特征可以被实现为方法、装置、或使用标准编程和/或工程技术的制品。本文中所使用的术语“制品”意在包括能够从任何计算机可读装置、载体或介质访问的计算机程序。例如，计算机可读介质可以包括但不限于：磁存储装置(例如，硬盘、软盘、磁条……)、光盘(例如，致密盘(CD)、数字多功能盘(DVD)……)、智能卡和闪存装置(例如，卡、条、键驱动器……)。

Claims (20)

1.一种复合透镜，包括：

第一初级有源光学元件，所述第一初级有源光学元件被配置成收集并且折射来自第一视场的第一光以产生第一折射光；

第一次级有源光学元件，所述第一次级有源光学元件被配置成使来自所述第一初级光学元件的所述第一折射光折射以产生第二折射光；以及

组合部件，所述组合部件被配置成接收来自所述第一次级有源光学元件的所述第二折射光并且沿所述复合透镜的光路将所述第二折射光引导向一个或更多个下游光学元件，

其中，所述复合透镜对至少为100度的视场成像。

2.根据权利要求1所述的复合透镜，其中，所述一个或更多个下游光学元件包括第三级有源元件、第四级有源元件和第五级有源元件。

3.根据权利要求1所述的复合透镜，还包括：

第二初级有源光学元件，所述第二初级有源光学元件被配置成收集并且折射来自第二视场的第二光以产生第三折射光；以及

第二次级有源光学元件，所述第二次级有源光学元件被配置成使来自所述第二初级光学元件的第三聚焦光折射以产生第四折射光，

其中，所述组合部件还被配置成将所述第四折射光和所述第二折射光组合成组合光束并且将所述组合光束引导向所述一个或更多个下游光学元件，以及

其中，将所述第二初级有源光学元件和所述第二次级有源光学元件添加至所述复合透镜使所述复合透镜的视场变宽至两倍或基本上变宽至两倍。

4.根据权利要求3所述的复合透镜，其中，所述组合部件包括二向色分束器立方体。

5.根据权利要求4所述的复合透镜，还包括另一二向色分束器立方体，所述另一二向色分束器立方体被配置成接收所述组合光束并且从所述组合光束中恢复所述第一视场的第一光线和所述第二视场的第二光线。

6.根据权利要求3所述的复合透镜，其中，所述组合部件包括偏振分束器立方体。

7.根据权利要求6所述的复合透镜，还包括另一偏振分束器立方体，所述另一偏振分束器立方体被配置成接收所述组合光束并且从所述组合光束中恢复所述第一视场的第一光线和所述第二视场的第二光线。

8.根据权利要求3所述的复合透镜，其中，所述组合部件包括非偏振分束器立方体，所述非偏振分束器立方体被配置成将来自所述第一视场的第一光的大约50％与来自所述第二视场的第二光的大约50％组合。

9.根据权利要求3所述的复合透镜，其中，所述组合部件包括受控转向镜或光电阀中的至少之一，其被配置成将所述第四折射光和所述第二折射光进行时间交织以产生所述组合光束。

10.根据权利要求3所述的复合透镜，还包括：

第三初级有源光学元件，所述第三初级有源光学元件被配置成收集并且折射来自第二视场的第三光以产生第五折射光；以及

第三次级有源光学元件，所述第三次级有源光学元件被配置成使来自所述第三初级有源光学元件的第五聚焦光折射以产生第六折射光，

其中，所述组合部件还被配置成将所述第四折射光、所述第二折射光和所述第六折射光组合成所述组合光束，以及

其中，所述第二初级有源光学元件、所述第二次级有源光学元件、所述第三初级有源光学元件和所述第三次级有源光学元件的添加使所述复合透镜的所述视场变宽至三倍。

11.根据权利要求2所述的复合透镜，其中，所述复合透镜是成像系统的部件，所述成像系统包括摄像装置、多光谱成像系统、超光谱成像系统、三维成像系统或飞行时间摄像装置中的至少之一。

12.根据权利要求1所述的复合透镜，其中，所述复合透镜是飞行时间摄像装置的部件，并且所述复合透镜被配置成将来自所述第一视场的调制光聚焦至所述飞行时间摄像装置的一个或更多个成像传感器，其被配置成基于对所述调制光的分析来生成所述第一视场的三维图像。

13.一种用于收集和聚焦来自宽视场的光的方法，所述方法包括：

由复合透镜的第一初级有源光学元件使来自第一视场的第一光折射以产生第一折射光；

由所述复合透镜的第一次级有源光学元件使来自所述第一初级光学元件的所述第一折射光折射以产生第二折射光；

将来自所述第一次级有源光学元件的所述第二折射光提供给所述复合透镜的组合部件；以及

由所述组合部件沿所述复合透镜的光路将所述第二折射光引导向一个或更多个下游光学元件，其中，所述复合透镜对于至少为100度的视场成像。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

由所述复合透镜的第二初级有源光学元件使来自第二视场的第二光折射以产生第三折射光；

由所述复合透镜的第二次级有源光学元件使所述第三折射光折射以产生第四折射光；

由所述组合部件将所述第四折射光和所述第二折射光组合成组合光束；以及

由所述组合部件将所述组合光束引导向所述一个或更多个下游光学元件，

其中，所述组合使所述复合透镜的所述视场基本上变宽至两倍。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述的组合包括使用二向色分束器立方体作为所述组合部件来进行组合。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：使用所述复合透镜的另一二向色分束器立方体从所述组合光束中恢复所述第一视场的第一光线和所述第二视场的第二光线。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述的组合包括：使用偏振分束器立方体作为所述组合部件来进行组合。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：使用所述复合透镜的另一偏振分束器立方体从所述组合光束中恢复所述第一视场的第一光线和所述第二视场的第二光线。

19.一种用于对宽视场成像的系统，所述系统包括：

用于使在复合透镜处接收的来自第一视场的第一光折射以产生第一折射光的装置；

用于使所述第一折射光折射以产生第二折射光的装置；以及

用于沿所述复合透镜的光路将所述第二折射光引导向一个或更多个下游光学元件的装置，其中，所述的用于使所述第一光折射的装置、所述的用于使所述第一折射光折射的第二装置、所述的用于引导的装置以及所述一个或更多个下游光学元件对至少为100度的视场成像。

20.根据权利要求19所述的系统，还包括：

用于使在所述复合透镜处接收的来自第二视场的第二光折射以产生第三折射光的装置；以及

用于使所述第三折射光折射以产生第四折射光的装置，

其中，所述的用于引导的装置包括用于将所述第四折射光和所述第二折射光组合成组合光束并且将所述组合光束引导向所述一个或更多个下游光学元件的装置，以及

其中，所述的用于使所述第二光折射的装置和所述的用于使所述第三折射光折射的装置使所述复合透镜的所述视场基本上变宽至两倍。