CN1585907A - 广角成像光学系统以及使用该广角成像光学系统的广角成像装置、监视成像装置、车载成像装置以及投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种广角成像光学系统，包括折射光学系统(3)、反射光学系统以及图像形成光学系统(5)。反射光学系统包括直接反射来自物体之光线的第一反射表面(1)以及反射来自第一反射表面(1)之光线的第二反射表面(2)。其中在第一反射表面(1)和第二反射表面(2)之间设置开口部分，它允许来自物体的光线进入其中。在第二反射表面(2)中设置透光部分(2a)，用于透过已进入折射光学系统(3)的光线。在第一反射表面(1)中设置开孔(1a)，用于允许来自第二反射表面(2)和折射光学系统(3)的光线进入图像形成光学系统(5)。

Description

广角成像光学系统以及使用该广角成像光学系统的广角成像装 置、监视成像装置、车载成像装置以及投影装置
技术领域
本发明涉及一种广角成像装置，该装置通过使用若干个反射表面的组合和若干个透镜的组合可以产生覆盖超宽范围的全景图像。
背景技术
针对广角成像装置，已经进行了各种研究和开发，以有效地产生在大区域中物体之图像。一个例子是具有鱼眼透镜的广角照像机的开发。
JP 10(1998)-54939 A(反射型视角转换光学器件和使用该器件的光学系统)提出了一种通过多样地改变彼此相对设置的三个镜面的形状而产生宽视野图像的系统。JP 2000-4383 A(多方向图像摄取器件)提出了一种通过把全景图像块的轴(shaft)作为透镜而在正常图像内产生反向图像(counter image)的光学系统。
JP 2001-94839 A(宽视野图像拾取器件和宽视野图像拾取显示器件)提出了这样一种器件：其包括在中心具有孔的凸主镜、在中心具有孔的凸子镜、以及设置在子镜的孔中的透镜。光线被主镜反射，并进一步被子镜反射，然后被成像。该图像和由透镜形成的图像被显示在器件上。WO00/41024(全景成像装置)提出了这样一种系统：其中通过使用两个反射器(例如一个凸双曲面镜和一个凹椭圆或球面镜)、一中继系统以及一图像传感器，提供基本上平坦并且共点的图像平面。
近年来，通常使用光电接收元件，例如固态成像器件。在此情况中，在成像透镜和成像器件之间设置光学部件，例如光学低通过滤器和近红外截止过滤器，这样必须有一个相当长的后焦距。光学低通过滤器通过衰减不小于照相所需的空间频率成分的高频成分而消除波纹干扰。近红外截止过滤器校正电感光器的光谱响应。
然而，使用例如鱼眼透镜的广角成像光学系统通常需要许多透镜。因此，增加了光学系统的重量，并且装置变大而昂贵。另外，色差等的产生也是一个问题，而且实际上此广角成像光学系统仅用于采用特定技术的照相。
JP 10(1998)-54939 A公开了在轴向附近的图像形成，但同时限制了用于校正各种像差的装置。对于JP 2000-4383 A的多方向图像捕获器件来说，来自物体侧的入射光在到达外周不透光平面之前穿过外周透光平面和旋转体。因此，用于旋转体的透光材料是厚的，并且当透光材料为树脂时，其对温度变化是敏感的以及需要花费较长时间被模铸。当透光材料为玻璃(尤其非球面玻璃)时，在对玻璃进行抛光中涉及相当大的成本。
JP 2001-94839 A的图像拾取器件可以同时产生两个图像：一个以这样的方式形成图像，即光线被主镜反射，并进一步被子镜反射，然后被成像；以及一个由设置在子镜中的透镜形成的图像。光学系统包括凸主镜、凸子镜以及凹透镜。而且应该把主透镜放置在成像器件和子镜之间。在此情况中，主透镜的F数是高的，并且由于光学系统的配置，进入主透镜的光线是发散光。因而，主透镜变得大而复杂。
WO00/41024的全景成像装置需要中继光学系统，以在光学系统中形成中间图像，这样增加了整个光学系统的长度，从而导致较大的装置。
正如以上所述，当使用光电接收元件时，不仅要求保证相当长的后焦距，以便提供光学部件(例如光学低通过滤器和近红外截止过滤器，而且还要求充分地校正像差。但是，为了实现这一点，需要相当多的透镜，并且应当致力于减少透镜数量的光学设计。
发明内容
为了解决上述传统的问题，本发明的目的是提供一种广角成像光学系统，其采用简单的结构可以产生覆盖360度最大水平视角的全景图像以及在轴向附近的图像，并且具有较长的后焦距、改善的像差校正、以及亮度。
本发明的一种广角成像光学系统包括折射光学系统、反射光学系统、以及图像形成光学系统。反射光学系统和图像形成光学系统按照如从较长的共轭距离侧所看到的指示顺序被设置，并构成第一光学系统。折射光学系统和图像形成光学系统按照如从较长的共轭距离侧所看到的指示顺序被设置，并构成第二光学系统。反射光学系统包括直接反射来自物体之光线的第一反射表面，以及反射来自第一反射表面之光线的第二反射表面。在第一反射表面和第二反射表面之间设置一个开口部分，并且来自物体的光线进入开口部分。在第二反射表面中设置一个透光部分，并透过已进入折射光学系统的光线。在第一反射表面中设置一个开孔，它允许来自第二反射表面和折射光学系统的光线进入图像形成光学系统。
本发明的一种广角成像装置包括本发明的广角成像光学系统和用于拾取由图像形成光学系统形成的图像的成像器件。
本发明的一种监视成像装置包括本发明的广角成像光学系统。
本发明的一种车载成像装置包括本发明的广角成像光学系统。
本发明的一种投影装置包括本发明的广角成像光学系统。
附图简述
图1是根据本发明实施例1的广角成像装置的示意性横截面视图。
图2是根据本发明实施例1的广角成像装置的示意性侧视图。
图3是沿着图2中箭头A方向的视图。
图4是根据本发明实施例1的广角成像装置的示意性立体图。
图5是出现在根据本发明实施例1的广角成像装置的成像器件上的图像之示意图。
图6是根据本发明实施例2的广角成像装置的示意性横截面视图。
图7是根据本发明实施例2的广角成像装置的另一个例子的示意性横截面视图。
图8是根据本发明实施例2的广角成像装置的又一个例子的示意性横截面视图。
图9是根据本发明实施例3的广角成像装置的示意性横截面视图。
图10是根据本发明实施例3的广角成像装置的另一个例子的示意性横截面视图。
图11是根据本发明实施例4的广角成像装置的示意性横截面视图。
图12是根据本发明实施例4的广角成像装置的另一个例子的示意性横截面视图。
图13是根据本发明实施例5的广角成像装置的示意性横截面视图。
图14是根据本发明实施例5的广角成像装置的成像器件的示意视图。
图15是根据本发明实施例6的广角成像装置的示意性横截面视图。
图16是根据本发明实施例6的广角成像装置的另一个例子的示意性横截面视图。
图17是根据本发明实施例7的广角成像装置的示意性横截面视图。
图18是根据本发明实施例8的广角成像装置的示意性横截面视图。
图19是根据本发明实施例9的广角成像装置的示意性横截面视图。
图20是根据本发明实施例9的广角成像装置的成像器件的示意视图。
图21是根据本发明实施例10的广角成像装置的示意性横截面视图。
图22是根据本发明实施例11的广角成像装置的示意性立体图。
图23是根据本发明实施例12的广角成像装置的示意性立体图。
图24是根据本发明实施例12的广角成像装置的另一个例子的示意性立体图。
图25是根据本发明实施例13的广角成像装置的示意性立体图。
图26是根据本发明实施例14的广角成像装置的示意性立体图。
图27是根据本发明实施例15的广角成像装置的示意性立体图。
图28是根据本发明实施例16的广角成像装置的示意性立体图。
图29是根据本发明实施例17的广角成像装置的示意性横截面视图。
图30是出现在根据本发明实施例17的广角成像装置的成像器件上的图像之示意图。
图31是根据本发明实施例17的广角成像装置的另一个例子的示意性横截面视图。
图32是通过改变放大倍数形成的并且出现在根据本发明实施例17的广角成像装置的另一个例子的成像器件上的图像之示意图。
图33是根据本发明实施例18的广角成像装置的示意性立体图。
图34是根据本发明实施例18的广角成像装置的另一个例子的示意性立体图。
图35是根据本发明实施例18的广角成像装置的又一个例子的示意性立体图。
图36A显示了本发明实例1中的第一光学系统的球面像差。
图36B显示了本发明实例1中的第一光学系统的象散。
图36C显示了本发明实例1中的第一光学系统的失真。
图37A显示了本发明实例1中的第二光学系统的球面像差。
图37B显示了本发明实例1中的第二光学系统的象散。
图37C显示了本发明实例1中的第二光学系统的失真。
图38A显示了本发明实例2中的第一光学系统的球面像差。
图38B显示了本发明实例2中的第一光学系统的象散。
图38C显示了本发明实例2中的第一光学系统的失真。
图39A显示了本发明实例2中的第二光学系统的球面像差。
图39B显示了本发明实例2中的第二光学系统的象散。
图39C显示了本发明实例2中的第二光学系统的失真。
图40A显示了本发明实例3中的第一光学系统的球面像差。
图40B显示了本发明实例3中的第一光学系统的象散。
图40C显示了本发明实例3中的第一光学系统的失真。
图41A显示了本发明实例3中的第二光学系统的球面像差。
图41B显示了本发明实例3中的第二光学系统的象散。
图41C显示了本发明实例3中的第二光学系统的失真。
图42是显示了根据本发明实施例19的反射表面之组合的例子的示意性横截面视图。
图43是根据本发明的权利要求20的广角成像装置的示意性横截面视图。
图44描述了Si2AsTe2的透光曲线。
图45是根据本发明的监视广角成像装置的实施例的示意图。
图46是根据本发明的车载广角成像装置的实施例的示意图。
图47是根据本发明的投影广角成像装置的实施例的示意图。
图48是根据本发明实施例25的车载成像装置的示意图。
图49是当改变安装角度时，根据本发明实施例25的车载成像装置的示意图。
图50是根据本发明实施例26的车载成像装置的示意图。
图51显示了根据本发明实施例26的车载成像装置的宽区域图像。
图52显示了当成像区域中的车辆移动时，根据本发明实施例26的车载成像装置的宽区域图像。
实现本发明的最佳方式
本发明包括具有第一反射表面和第二反射表面的反射光学系统、设置在第一反射表面和第二反射表面之间的开口部分、设置在第二反射表面中的透光部分、以及设置在第一反射表面中的开孔，由此可以产生覆盖宽范围(即，360度最大水平视角和大约180度垂直视角)的全景图像。而且，主光学系统可以由不产生色差的若干个反射表面构成。这不仅减少了设计的工时，而且还减少了制造上的限制，从而可以实现体积小、重量轻、低成本、以及明亮的广角成像光学系统。
在本发明中，优选地，第一光学系统和第二光学系统共享图像形成光学系统。此配置可以减小装置的尺寸。
优选地，没有中间图像形成在广角成像光学系统内。采用此配置，广角成像光学系统不是中继光学系统，而且减少了该光学系统的总长度，从而可实现更小型的装置。
优选地，广角成像光学系统满足以下表示的关系式：
fa＞0
fb＞0
其中，fa是第一光学系统的组合焦距，fb是第二光学系统的组合焦距。采用此配置，广角成像光学系统不是中继光学系统，而且减少了光学系统的总长度，从而可实现更小型的装置。当fa不大于下限时，在第一光学系统内形成中间图像，这样由第一光学系统形成的物体之图像为正立图像。而且，第一光学系统变成了中继光学系统，这增加了光学系统的总长度。
当fb不大于下限时，在第二光学系统内形成中间图像，这样由第二光学系统形成的物体之图像为正立图像。而且，第二光学系统变成了中继光学系统，这增加了光学系统的总长度。在这种情况下，当反转由第一光学系统形成的图像时，结果图像是不连续的。
优选地，广角成像光学系统满足以下表示的关系式：
f2≥d
其中，f2是第二反射表面的焦距，以及d是第一反射表面和第二反射表面之间的轴上的距离。此配置可以容易地校正图像形成光学系统中的像差。当不满足f2≥d时，在反射光学系统内形成中间图像，并且穿过图像形成光学系统的光线之偏移角变得较大，这样使得很难校正图像形成光学系统中的像差。而且，第一光学系统形成的物体之图像为正立图像。因此，当反转由第二光学系统形成的图像时，结果图像是不连续的。
优选地，广角成像光学系统满足以下表示的关系式：
|f12/fa|＞5
其中，fa是第一光学系统的组合焦距，并且f12是第一反射表面和第二反射表面的组合焦距。此配置可以减少光学系统的总长度。而|f1/fa|代表反射表面的无聚焦系统的等级。当该值不大于下限时，减小了第一和第二反射表面的组合焦距。因此，提供了中继光学系统而不是无聚焦系统，同时在广角成像光学系统内形成中间图像，从而光学系统总长度变得更长。
优选地，广角成像光学系统满足以下所表示的关系式：
r2＞0
0.3＜r1/r2＜0.7
其中，r1是第一反射表面的曲率半径，以及r2是第二反射表面的曲率半径。此配置可以实现小而明亮的光学系统。当r2不大于下限时，第二反射表面具有如从物体之入射光所看到的凸表面，并且进入图像形成光学系统的光线是发散光。因此，图像形成光学系统本身变得更大，这又增大了该装置的尺寸。
当该值不小于0.3＜r1/r2＜0.7的上限时，来自第二反射表面的光线以较大角度进入开孔，这样使得很难校正图像形成光学系统中的像差。而且，也降低了开孔的效率，以至于不能保证在外周的亮度。当该值不大于下限时，在第二反射表面上由第一光学系统使用的区域延伸到中心轴附近，从而透光部分的区域变得较窄。因而，来自第二图像形成光学系统中的光线不能穿过透光部分，并且不能形成图像。
优选地，广角成像光学系统满足以下表示的关系式：
|fb-fa|/|fa|＜0.5
其中，fa是第一光学系统的组合焦距，以及fb是第二光学系统的组合焦距。此配置可以防止图像的丢失或者重叠。而当该值不小于|fb-fa|/|fa|＜0.5的上限时，增加了第一光学系统和第二光学系统之间的后焦距的差异。而且，由于第一光学系统的图像形成之放大倍数不同于第二光学系统的图像形成之放大倍数，所以由第一光学系统形成的环形图像和由第二光学系统形成的圆形图像是不连续的，从而导致图像的丢失或者重叠。
优选地，广角成像光学系统满足以下表示的关系式：
1.2＜bf/fi＜1.8
其中，bf是当来自无限远处的物体的光线并行地进入图像形成光学系统时、利用空气测量的图像形成光学系统的后焦距，以及fi是图像形成光学系统的组合焦距。此配置可以减少光学系统的总长度。当该值不小于1.2＜bf/fi＜1.8的上限时，增加了后焦距，使得光学系统的总长度比变得更长，其反过来也增大了装置的尺寸。当该值不大于下限时，减小了后焦距，并且不能提供光学系统。
优选地，折射光学系统包括具有负放大率的第一透镜组和具有正放大率的第二透镜组，第一透镜和第二透镜如从物体侧所看到的指示顺序被设置。采用此配置，广角成像光学系统在中途点不形成任何中间图像，并且可实现明亮的光学系统。
优选地，第一反射表面和第二反射表面至少之一在形状上是旋转对称非球面表面。此配置通过使用非球面系数而可最佳地校正在反射光学系统自身中生成的场曲率和象散。
优选地，第一光学系统的图像形成之放大系数和第二光学系统的图像形成之放大系数具有相同的符号。采用此配置，当由第一光学系统形成的图像为正立图像时，由第二光学系统形成的图像也为正立图像。而且，当由第一光学系统形成的图像为倒立图像时，由第二光学系统形成的图像也为倒立图像。因此，可以获得连续的图像。
优选地，第一光学系统的图像形成之放大系数和第二光学系统的图像形成之放大系数均为负。采用此配置，广角成像光学系统不是中继光学系统，并且减少了光学系统的总长度，从而可实现较小的装置。
优选地，第一反射表面的至少一个焦点和第二反射表面的至少一个焦点相重合。旋转对称非球面表面具有一或两个焦点。通过把第一反射表面和第二反射表面相组合，此配置允许主光线会聚在焦点位置上。
优选地，透镜光阑位于图像形成光学系统内或图像形成光学系统和第二反射表面之间。采用此配置，第二反射表面的焦点之一与透镜光阑的中心像重合。因此，通过图像形成光学系统可以对光线成像，同时主光线在会聚在透镜光阑位置处。
优选地，第二反射表面的焦点与透镜光阑的中心相重合。
优选地，屏蔽部件形成在开孔的外周附近。此配置可消除由反射表面反射四次或者更多次的、进入开孔的、并且在穿过图像形成光学系统之后被拾取的重像光。
优选地，屏蔽部件支撑图像形成光学系统。此配置可以有效地使用屏蔽部件，而无需依赖特殊部件用于支撑图像形成光学系统。
优选地，图像形成光学系统包括遮光罩，其限制进入图像形成光学系统的光线。当成像器件拾取圆形图像和环行图像时，此配置可以防止第二成像区域(在这里光线进入折射光学系统)的圆形图像与形成在该圆形图像外侧的第一成像区域(在这里光线进入反射光学系统)的环形图像相重叠。
优选地，图像形成光学系统的多个透镜如从物体侧所看到的下列顺序被设置：一负透镜、一正透镜、以及一正透镜。此配置允许图像形成光学系统即使采用少量的透镜时也具有相当长的后焦距、改进的像差特性以及亮度。
优选地，图像形成光学系统的多个透镜如从物体侧所看到的下列顺序被设置：一负透镜、一正透镜、一正透镜、以及一正透镜。此配置允许图像形成光学系统即使采用少量的透镜时也具有相当长的后焦距、改进的像差特性以及亮度。
优选地，折射光学系统包括遮光罩，其限制进入折射光学系统的光线。当成像器件拾取圆形图像和环行图像时，此配置可以防止第二成像区域(在这里光线进入折射光学系统)的圆形图像与形成在该圆形图像外侧的第一成像区域(在这里光的射线进入反射光学系统)的环形图像相重叠。
优选地，第一反射表面与图像形成光学系统的透镜整体地形成。此配置可以改善广角成像光学系统的制造成本和效率，并且减少广角成像光学系统需要的光学部件的数目。而且，减小了反射光学系统中的光学元件的光轴和图像形成光学系统中的光学元件的光轴之间的偏移，由此使光学系统具有抗振动能力。这样，该光学系统可以维持高性能，特别是当用作车载光学系统时。
优选地，第一反射表面的形状与对应于开孔的图像形成光学系统之透镜的一部分的形状基本上相同。
优选地，第一反射表面的形状与对应于开孔的图像形成光学系统之透镜的一部分的形状不同。采用此配置，开孔处的透镜可以具有与凸或凹透镜相同的效果，以致于可以最佳地校正广角成像光学系统中产生的各种像差，从而产生覆盖宽范围的高质量图像。
优选地，第二反射表面与折射光学系统的透镜整体地形成。此配置可以改善广角成像光学系统的制造成本和效率，以及减少广角成像光学系统的需要的光学部件的数目。而且，减小了反射光学系统中的光学元件的光轴和折射光学系统中的光学元件的光轴之间的偏移，从而使光学系统具有抗振动能力。因此，该光学系统的可以维持高的性能，特别是当用作车载光学系统时。另外，该配置与整体形成的图像形成光学系统的第一反射表面和透镜相组合能够进行精确的图像显示和图像处理转换，因为由第一光学系统形成的环形图像和由第二光学系统形成的环形图像可以更精确地具有相同的中心点。
优选地，第二反射表面的形状与对应于透光部分的折射光学系统之透镜的一部分的形状基本上相同。该配置有助于处理过程。
优选地，第二反射表面的形状与对应于透光部分的折射光学系统之透镜的一部分的形状不同。采用该配置，透光部分处的透镜可以具有与凸或凹透镜相同的效果，以致于可以最佳地校正广角成像光学系统中产生的各种像差，从而产生覆盖宽范围的高质量图像。
优选地，图像形成光学系统包括第三反射表面，其反射由图像形成光学系统成像的光线。第三反射表面可以沿基本上垂直于中心轴的方向反射光线。因此，甚至在有限的空间中，可以增加广角成像光学系统的光学路径长度。
优选地，折射光学系统和图像形成光学系统对于包括1μm到10μm的红外波长区域是透光的。采用此配置，折射光学系统和图像形成光学系统传送从可见到红外之宽范围的波长区域中的光。这样，该装置可以使用在从可见到红外之宽范围的波长区域。
本发明的广角成像装置包括本发明的广角成像光学系统以及用于拾取由图像形成光学系统形成的图像的成像器件。该广角成像装置可以产生覆盖宽范围(例如360度最大水平视角和大约180度垂直视角)的全景图像。而且，主光学系统可以由不产生色差的反射表面构成。这不仅减少了设计的工时，而且还减少了制造上的限制，以致于可以实现小型、重量轻、低成本、以及明亮的广角成像装置。
在该广角成像装置中，优选地，设置多个广角成像光学系统和对应于多个广角成像光学系统之每个的成像器件，以便产生物体的若干个独立图像。与包括单个广角成像光学系统的配置相比，该配置不仅可以产生覆盖360度最大水平视角的全景图像，而且还可以增大垂直视角。
优选地，设置两个广角成像光学系统和对应于两个广角成像光学系统之每个的成像器件，以便产生物体的若干个独立图像，而且当结合第一反射表面的曲率中心和第二反射表面的曲率中心的轴被标识为中心轴时，相对于垂直于该中心轴的轴，对称地设置两个广角成像光学系统。
优选地，多个广角成像光学系统共享单个成像器件。此配置有利于小尺寸和轻重量。
优选地，当把其中光线进入反射光学系统的区域标识为第一成像区域，以及把其中光线进入折射光学系统的区域标识为第二成像区域时，由成像器件拾取的图像包括通过占据第二成像区域获得的圆形图像和通过占据第一成像区域获得的并形成在圆形图像外侧的环形图像；第一成像区域和第二成像区域互相不重叠；以及连续地设置圆形图像和环形图像。此配置可以有效地使用成像器件的有效区域，消除图像的丢失和重叠，并可保证精确地成像。
优选地，设置保护部件，以包围开口部分。此配置可以容易和有效地保护反射光学系统。
优选地，保护部件提供有用于防止内部反射的薄膜。此配置可以有效地消除由保护部件从内部反射的并穿过与正常光相同光学路径的重像光，同时容易和有效地保护反射光学系统。
优选地，保护部件具有基本上为截头圆锥体形状，而且在第一反射表面的保护部件的内径不同于在第二反射表面的保护部件的内径。此配置可以控制重像光的反射角，并且防止重像光穿过与正常光相同的光学路径。
优选地，折射光学系统和图像形成光学系统至少之一具有变焦距功能。此配置可以在轴向附近产生物体的放大图像。
优选地，可以把广角成像装置安装在物体上，并且可以对安装角度进行调整。此配置可以容易地改变成像范围。
优选地，广角成像装置包括移动物体检测功能。采用此配置，可以提取移动物体，因此周围的任何移动可以被检测到并且可精确地被识别。
本发明的监视成像装置包括本发明的广角成像光学系统，因而可以产生覆盖水平视角以及垂直视角之宽范围的全景图像。而且，把由反射从可见到红外之宽范围的波长区域内的光的材料制成的反射表面与由透过在可见到红外之波长范围的光的材料制成的透镜相组合。这样，可以在白天或夜间的任何时候执行覆盖超宽范围的监视。
本发明的车载成像装置包括本发明的广角成像光学系统，因而可以产生覆盖水平视角以及垂直视角之宽范围的全景图像。把产生的图像显示在安装在车辆中的车载监视器上，从而可以将车载成像装置用作例如后视监视器、前视监视器或侧视监视器。
本发明的投影装置包括本发明的广角成像光学系统，因而可以通过投影器(例如视频投影器)对覆盖超宽范围的物体图像进行投影。
以下将参照附图，描述本发明的各实施例。
实施例1
图1显示本发明实施例1的广角成像装置之基本配置沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。图2是该装置之基本部分的侧面视图。图3是沿着图2中箭头A方向的视图。图4是该装置之基本部分的立体图。图1的广角成像装置包括折射光学系统3、由第一反射表面1和第二反射表面2构成的反射光学系统、以及图像形成光学系统5。中心轴9结合第一反射表面1的曲率中心和第二反射表面2的曲率中心。
图1的广角成像装置的光学系统包括第一光学系统和第二光学系统。对于第一光学系统，如从较长的共轭距离侧所看到的指示顺序，设置反射光学系统和图像形成光学系统5。对于第二光学系统，如从较长的共轭距离侧所看到的指示顺序，设置折射光学系统3和图像形成光学系统5。在图1的例子中，较长的共轭距离侧与一个图像平面(成像器件7)相对。在下面各图中，同样如此。
第一反射表面1具有从来自外部(物体)的入射光8b(来自第一成像区域的光线)所看到的凸表面。第二反射表面2具有从来自入射光8b所看到的凹表面。图像形成光学系统5的透镜6与第一反射表面1整体地形成，同时折射光学系统3的透镜4与第二反射表面2一起整体地形成。
来自外部(物体)的入射光8a(来自第二成像区域的光线)由折射光学系统3折射，穿过透光部分2a，例如提供在第二反射表面2中的圆形开口和提供在第一反射表面1中的圆形开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。
入射光8b由第一反射表面1的凸表面和与第二反射表面2的凹表面连续地反射，穿过提供在第一反射表面1中的圆形开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7进行拾取。
第一反射表面1和第二反射表面2是相对于中心轴9对称的旋转非球面表面。在本实施例中，通过旋转一抛物线获得第一反射表面1和第二反射表面2。
在图3中，中心轴9穿过直角交叉的中心线9a，9b的交叉点。正如从图1到图3可看到的，第一反射表面1和第二反射表面2在中心轴9上以预定距离相互隔开。这样，开口部分设置在第一反射表面1和第二反射表面2之间，以便该部分朝向其中心在中心轴9上的圆之整个外周张开。
因此，来自外部的入射光8a，8b可以进入范围从0到360度之角度θ的任何位置，如图3所示。在图1中，另一方面，当把垂直视角α定义为沿逆时针方向的正值时，在大约-30～30度的垂直向视角α处，来自第二成像区域的光线8a由广角成像光学系统成像，同时在大约30到90度以及-30到-90度的垂直视角α处，来自第一成像区域的光线8b被成像。这样，本实施例的广角成像装置具有最大360度的水平视角和最大180度的垂直视角。
图5描述了由图1的广角成像装置产生的大区域中的物体之图像。第二成像区域的圆形图像52和第一成像区域的环形图像53出现在成像器件51上。由于第一成像区域的成像范围与第二成像区域的成像范围是连续的，所以圆形图像52和环形图像53可以形成为单个连续的圆形图像。因此，可以有效地使用成像器件51的有效区域。通过使开孔1a和透光部分2a为圆形、通过调整在反射光学系统中的反射表面的形状和设置、以及进一步通过调整在折射光学系统3和图像形成光学系统5中的透镜的形状和设置，可以产生该图像。
优选地，第一光学系统的图像形成的放大系数和第二光学系统的图像形成的放大系数具有相同的符号。这样，当由第一光学系统形成的图像为正立图像时，由第二光学系统形成的图像也为正立图像。而且，当由第一光学系统形成的图像为倒立图像时，由第二光学系统形成的图像也为倒立图像。因此，可以获得连续的图像。在此情况中，优选地，第一光学系统的图像形成之放大系数和第二光学系统的图像形成之放大系数均为负。采用负号，广角成像光学系统不是中继光学系统，而且减少了光学系统的总长度，从而可实现较小的装置。对于以下的各实施例，同样同此。
正如以上所描述的，本实施例允许主光学系统由不产生色差的反射表面构成。因此，不仅可以减少了设计的工时，而且可以减少制造上的限制，从而提供小的、轻重量的、低成本的、以及明亮的广角成像装置。而且，折射光学系统和反射光学系统的透镜以及与这些透镜整体地形成在一起的反射表面具有非球面表面，从而可以校正光学系统中产生的各种像差。另外，如图5中所示，可以产生覆盖超宽范围(即360度的最大水平视角和大约180度的最大垂直视角)的全景图像，同时又可以有效地使用成像器件。
在本实施例中，第一反射表面1和第二反射表面2为通过旋转一个抛物线获得的旋转非球面表面。但是，这些反射表面也可以通过旋转包括圆或双曲线的椭圆而获得。对于以下的各实施例，同样如此。
对于透镜4、6中的每个透镜，以连续一致的形状形成配置有反射表面的部分和对应于透光部分2a或开孔1a的部分。但是，透镜形状也可以被改变，例如，通过颠倒透光部分2a或开孔1a处的凸凹性，这将在以下的各实施例中详细地描述。
实施例2
图6和7显示实施例2的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。在基本配置上，本实施例与实施例1(图1到图5)相同，但不同之处在于：具有平坦反射表面的第三反射表面61设置在图像形成光学系统5和成像器件7之间的光学路径中。
在图6中，来自外部的入射光8a由折射光学系统3折射，穿过提供在第二反射表面2中的透光部分2a和提供在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，在一个方向由第三反射表面61反射，并由成像器件7拾取。来自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面连续地反射，穿过提供在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，由第三反射表面61在一个方向上反射，并由成像器件7拾取。因而，通过使用第三反射表面61，可以在中心轴9的方向上使光学系统变得更短，这样减小了装置的尺寸。
图7是显示实施例2的广角成像装置之基本配置的另一个实例的示意图。此配置不同于图6中的配置之处在于：将聚光器5a设置在具有平坦反射表面的第三反射表面71和图像形成光学系统5中的成像器件7之间。与图6中的配置相同，通过使用第三反射表面71，可以使该装置在中心轴9的方向上变得更短，这样减小了装置的尺寸。
对于图8中所示的实施例，基本配置与图7中所示的实施例相同，但不同之处在于：具有平坦反射表面的第三反射表面81被设置，以在基本上垂直于中心轴9的方向上反射穿过第一反射表面1的开孔1a之后由图像形成光学系统5成像的光线。这不仅可以减小广角成像光学系统的尺寸，而且还可以即使在有限的空间内增加广角成像光学系统的光学路径的长度。
实施例3
图9显示实施例3中的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。在基本配置上，本实施例与实施例1(图1～5)相同，但不同之处在于第三反射表面被弯曲。
在图9中，来自外部的入射光8a由折射光学系统3折射，穿过设置在第二反射表面2中的透光部分2a和设置在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，由具有反射曲面的第三反射表面91在一个方向上反射，进一步由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。来自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面连续地反射，穿过设置在第一反射表面1中的开孔1a，由第三反射表面91在一个方向上反射，进一步由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。第三反射表面91被设置，以在基本上垂直于中心轴9的方向上反射穿过开孔1a的光线。第三反射表面91可以具有任何曲面，例如圆柱形表面、复曲面、或自由形状表面。自由形状表面是一种无旋转对称轴的曲面。
对于图10中所示的实施例，第三反射表面101是弯曲的，并且设置第三反射表面101，以在基本上垂直于中心轴9的方向上反射穿过开孔1a的光线。在本实施例中，第三反射表面101具有复曲面或自由形状表面，从而与图9中的实施例相比，减少了图像形成光学系统中透镜的数目。
与实施例2相同，通过使用第三反射表面，本实施例可以减小装置的尺寸。而且，设置第三反射表面，以在基本上垂直于中心轴9的方向上反射光线。因此，即使在有限的空间，也可以增加广角成像光学系统之光学路径长度。
实施例4
图11显示实施例4的广角成像装置之基本配置的、沿包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。在基本配置上，本实施例与实施例1(图1～5)相同，但不同之处在于，每个反射表面的形状不同于对应于开孔和透光部分的每个透镜的一部分的形状。
在图1的配置中，第一反射表面1的形状与对应于开孔1a的透镜1的一部分的形状基本上相同。相类似，第二反射表面2的形状与对应于透光部分2a的透镜4的一部分的形状基本上相同。
在图11的实施例中，形成设置有第一反射表面1的透镜111的一部分，使得两个表面(一个面对物体侧的表面和另一个面对图像平面侧的表面)朝物体侧凸出。然而，在开孔1a中，两个表面朝物体侧凹入。另一方面，形成配置有第二反射表面2的透镜112的一个部分，使得两个表面(一个面对物体侧的表面和另一个面对图像平面侧的表面)朝物体侧凸出。然而，在透光部分2a中，在图像平面侧的表面朝物体侧凹入，而在物体侧的表面朝物体侧凸出。在此情况中，透光部分2a的凸出度不同于提供有第二反射表面2的透镜112的一部分中的凸出度。
因而，在图11的配置中，第一反射表面1的形状不同于对应于开孔1a的透镜111的一个部分的形状。相类似，第二反射表面112的形状不同于对应于透光部分2a的透镜112的一个部分的形状。
在此配置中，来自外部的入射光8a由折射光学系统3折射，穿过透光部分2a和提供在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。
来自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面连续地反射，穿过提供在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。如以上所述，当透光部分或开孔中的透镜之基本横截面不同于提供有反射表面的一部分中的的透镜之基本横截面时，效果与在透光部分或开孔处单独设置特殊的凸透镜或凹透镜之效果是相差不大的。而且，可以最佳地校正广角成像光学系统中的各种像差，这样产生覆盖宽范围的高质量图像。
图12显示实施例4的广角成像装置之基本配置的另一个例子的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。在基本配置上，本实施例与实施例1(图1～5)相同，但不同之处在于：第一反射表面1和第二反射表面2与树脂基片整体地形成，并且不同于树脂基片的特殊透镜分别被设置在透光部分2a和开孔1a处。在本实施例中，第一反射表面1的形状不同于相应于开孔1a的透镜的一部分的形状。类似地，第二反射表面2的形状不同于相应于透光部分2a的透镜的一部分的形状。
在图12中，第一反射表面1与第一树脂基片113整体地形成，同时第二反射表面2与第二树脂基片114整体地形成。来自外部的入射光8a由包括透镜3a的折射光学系统3折射，穿过设置在第二反射表面2和第二树脂基片114的透光部分2a以及设置在第一反射表面1和第一树脂基片113中的开孔1a，然后由包括透镜5b的图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。
来自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面连续地反射，穿过设置在第一反射表面1和第一树脂基片113中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。
正如以上所述，图12的配置可以分别使用用于透光部分2a和开孔1a的特殊透镜。因此，通过改变折射光学系统3和图像形成光学系统5的透镜设置，可以最佳地校正广角成像光学系统中的各种像差，这样产生覆盖宽范围的高质量图像。
图像形成光学系统5可以被固定而与设置在第一反射表面1和第一树脂基片113中的开孔1a相接触。可替换地，图像形成光学系统5也可以通过插入开孔1a而被固定。相类似，折射光学系统3可以通过与提供在第二反射表面2和第二树脂基片114中的透光部分2a相接触而被固定。另外，折射光学系统3也可以通过插入开孔1a而被固定。可以使用粘合剂等来固定光学系统。
在图12中，仅通过第一树脂基片113固定图像形成光学系统5的多个透镜的透镜5a。然而，当把多个透镜固定在一个部件中时，可以过第一树脂基片113固定整个图像形成光学系统5。
在图11和12的例子中，反射表面的形状不同于开孔1a和透光部分2a中的透镜的形状。然而，反射表面的形状可以不同于开孔1a和透光部分2a其中任一个中的透镜的形状。
实施例5
图13显示实施例5的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。本实施例使用了两个如图1中所示的实施例1的广角成像光学系统，并且它们被并排地、对称地设置。
也可以把图2到图4应用于本实施例的广角成像光学系统的一半。尽管在以下的各实施例中没有给出相应图2到图4的说明，但对反射表面的说明与图2到图4相同。
广角成像光学系统之一半的基本配置和操作与实施例1中的基本配置和操作相同。来自外部的入射光8a由折射光学系统3折射，穿过提供在第二反射表面2中的透光部分2a和提供在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。
来自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面连续地反射，穿过设置在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5对其加以成像，并由成像器件7进行拾取。
与实施例1一样，广角成像光学系统的一半具有360度最大水平视角和180度最大垂直视角。在图13中，中心线9c和中心轴9呈直角交叉，两个广角成像光学系统相对于中心线9c对称。左侧的广角成像光学系统具有大约180度垂直视角，以及右侧的广角成像光学系统具有大约180度垂直视角。换句话说，本实施例使用了两个广角成像光学系统，以总共360度的垂直视角，在一个大的区域中产生一个物体的若干个独立图像。
图14显示了由图13的广角成像光学系统产生的在一大区域中的物体之图像。第二成像区域的圆形图像132和第一成像区域的环形图像133出现在第一成像器件131上。由于第一成像区域的成像范围与第二成像区域的成像范围连续，所以圆形图像132和环形图像133形成为单个连续的圆形图像132。因此，可以有效地使用第一成像器件131的有效区域。
类似地，第二成像区域的圆形图像135和第一成像区域的环形图像136出现在第二成像器件134上。由于第一成像区域的成像范围与第二成像区域的成像范围是连续的，所以圆形图像135和环形图像136形成为单个连续的圆形图像134。因此，可以有效地使用第二成像器件134的有效区域。
如以上所描述的，本实施例可以产生覆盖360度最大水平视角的全景图像。而且，与实施例1中的大约180度相比，本实施例还可以以360度最大垂直视角产生图像。
实施例6
图15和16显示实施例6的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。本实施例使用了两个如图6中所示的实施例2的广角成像光学系统，它们被并排地、对称地设置。广角成像光学系统的一半的基本配置和操作与实施例2中的基本配置和操作相同。
图15中的配置使用了如图6中所示的两个广角成像光学系统。在图15中，来自外部的入射光8a由折射光学系统3折射，穿过提供在第二反射表面2中的透光部分2a和提供在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，在一个方向上由具有平坦反射表面的第三反射表面61反射，并由成像器件7拾取。
来自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面连续地反射，穿过设置在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，在一个方向上由第三反射表面61反射，并由成像器件7拾取。
图16中的配置使用了如图7中所示的两个广角成像光学系统。在图16中，来自外部的入射光8a由折射光学系统3折射，穿过设置在第二反射表面2中的透光部分2a和设置在第一反射表面1中的开孔1a，在一个方向上由第三反射表面71反射，进一步由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。
来自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面连续地反射，穿过提供在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，在一个方向上由第三反射表面71反射，进一步由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。
与实施例2一样，广角成像光学系统的一半具有360度最大水平视角和180度最大垂直视角。因此，本实施例也可以使用两个广角成像光学系统以360度的垂直视角产生图像。
实施例7
图17显示实施例7的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。该基本配置与实施例6中的基本配置(图15和16)相同。本实施例使用了两个如图9中所示的广角成像光学系统，并且不同于实施例6之处在于：第三反射表面是弯曲的。第三反射表面91可以具有任何曲面，例如圆柱形表面、复曲面或自由形状表面。
正如在具有平坦表面的第三反射表面的情况中，本实施例可使光学系统在中心轴9方向上变得更短。而且，设置第三反射表面，以在基本上垂直于中心轴9的方向上反射穿过开孔1a的光线。因此，甚至在有限的空间中，可以增加广角成像光学系统的光学路径之长度。
实施例8
图18显示实施例8的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。该基本配置与实施例7的基本配置(图17)相同。本实施例使用了两个如图10中所示的广角成像光学系统，并且第三反射表面具有复曲面或自由形状表面，从而减少了广角成像光学系统中透镜的数目。采用该配置，装置可以具有轻重量和低成本。
实施例5到8使用了如图1或者图6到图10中所示的实施例的两个广角成像光学系统。然而，也可以使用如图11和12中所示的实施例的广角成像光学系统。
实施例9
图19显示实施例9的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。本实施例与实施例6的相同之处在于：并排、对称地设置两对第一和第二反射表面，以及进一步设置第三反射表面，用于由图像形成光学系统成像的光线。然而，本实施例与实施例6的不同之处在于：左侧光学系统和右侧光学系统共享在图像形成光学系统中的透镜183和成像器件184。
相对于中心线9d，对称地设置相应于左侧光学系统的具有平坦表面的第三反射表面181和相应于右侧光学系统的具有平坦表面的第三反射表面182。在左侧和右侧广角成像光学系统的每个广角成像光学系统中，来自外部的入射光8a由折射光学系统3折射，穿过提供在第二反射表面2中的透光部分2a，并且进入提供在第一反射表面1中的开孔1a。来自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面连续地反射，并进入设置在第一反射表面1中的开孔1a。
来自左侧的入射光由第三反射表面181在一个方向上反射，来自右侧的入射光由第三反射表面182在一个方向上反射，以及反射光由透镜183成像，并由成像器件184拾取。
图20描述了图19中的广角成像光学系统产生的一大区域中的物体之图像。左侧光学系统形成的第二成像区域的圆形图像202和第一成像区域的环形图像203以及右侧光学系统形成的第二成像区域的圆形图像204和第一成像区域的环形图像205出现在成像器件201上。
因为第一成像区域的成像范围与第二成像区域的成像范围连续，所以圆形图像202和环形图像203形成为单个连续的圆形图像，并且类似地，圆形图像204和环形图像205形成为单个连续的圆形图像。因此，可以有效地使用成像器件201的有效区域。
在本实施例中，右侧和左侧光学系统共享透镜183和成像器件184，从而可以减小广角成像装置的尺寸、重量以及成本。
实施例10
图21显示实施例10的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。本实施例与实施例9的不同之处在于：使用棱镜191代替如图19中所示的第三反射表面181，182。
在本实施例中，右侧和左侧光学系统共享棱镜191、透镜183、以及成像器件184，从而可以进一步减小广角成像装置的尺寸、重量、以及成本。
在本实施例10中，对广角成像装置产生的图像的说明与实施例9(图20)的广角成像装置产生的图像的说明相同。
实施例11
图22描述了实施例11的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。在基本配置上，本实施例与实施例1(图1～5)相同，但不同之处在于：圆柱形罩子321被用作用于保护广角成像光学系统中的反射光学系统的部件。罩子321由树脂材料制作，具有例如大约几毫米的厚度。
设置罩子321，以包围第一反射表面1和第二反射表面2之间的开口部分。因此，来自外部的入射光8a通过罩子321到达第一反射表面1。罩子321不仅可以被用在图1的广角成像光学系统中，而且也可以用在其它实施例的任何广角成像光学系统中。
在图22中，来自外部的入射光8a由折射光学系统3折射，穿过设置在第二反射表面2中的透光部分2a和设置在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。来自外部的入射光8b由罩子321折射，由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面连续地反射，穿过提供在第一反射表面1中的开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。因此，罩子321可以容易和有效地保护反射光学系统。
实施例12
图23和24显示实施例12的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。在基本配置上，图23中的实施例与图22中的实施例相同，但不同之处在于：把抗反射涂层421应用于罩子321的内表面。例如可以通过浸渍法(dipping)形成涂层421。
在图23的配置中，重像光8c穿过罩子321，并进入罩子321中的空间。然而，涂层421防止内部反射。因此，可以防止重像光8c通过与直接进入罩子321的内部的正常光的光学路径相同的光学路径到达成像器件7，图中的虚线指示了直接进入罩子321的内部的正常光的光学路径。
在基本配置上，图24中的实施例与图22中的实施例相同，但不同之处在于，把罩子321的末端涂成黑色。在图24的配置中，在罩子321的末端处截止重像光8d。如果没有截止双像光8d，其进入罩子321的内部，并由罩子321反射，然后通过与直接进入罩子321的内部的正常光的路径相同的路径到达成像器件7，图中的虚线指示了直接进入罩子321内部的正常光的路径。
在罩子321的内表面的末端处截止进入罩子321内空间的重像光8e。如果重像光8e未被切断，其被该末端反射，由第一反射表面1进一步反射，然后通过与正常光的路径相同的路径到达成像器件7。这样，此配置可以防止重像光8d和8e通过正常光的光路径在半路上结合，并到达成像器件7。
在本实施例中，把罩子321的末端涂成黑色。然而，也可以把任何屏蔽部件设置在罩子321的末端，例如可以由屏蔽材料形成罩子321的末端。
广角成像光学系统的基本配置不局限于图1中所示的例子，也可以使用任何其它实施例的广角成像光学系统。
实施例13
图25显示实施例13的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。在图25的配置中，第二反射表面2的外径小于第一反射表面1的外径。设置罩子441，以包围第一反射表面1和第二反射表面2之间的开口部分。罩子441的外部形状基本上为截头圆锥体状，以及内和外表面为锥形。基本上为截头圆锥体状的罩子441由树脂材料制作，具有例如大约几毫米的厚度。
尽管实施例12使用涂层421防止内部反射，以便重像光8c不能穿过正常光的光学路径相同的光学路径，但本实施例利用罩子441实现了同样的效果。具体地，如图25中所示，进入罩子441内部的重像光8c由罩子441的倾斜平面内部地反射，并且反射的重像光8c穿过不同于正常光的光学路径，这样防止重像光8c的产生。换句话说，本实施例可以通过罩子441的形状，调整重像光8c的反射角度，因此可以使用罩子441本身而不是涂层或类似物防止重像光的产生。
不仅图25中所示的例子，而且其它实施例也可以采用以上配置，其中第二反射表面的外径小于第一反射表面的外径，并使用基本上为截头圆锥体状的罩子。
实施例14
图26显示实施例14的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。在基本配置上，本实施例与图1中的实施例相同，但不同之处在于：屏蔽部件1b形成在开孔1a的外周附近。
重像光8c由反射表面1和2反射，再被导向至反射表面1，并且被屏蔽部件1b截断。当不使用屏蔽部件1b时，重像光8c再次被反射表面1和2再次反射(例如重像光8c在反射表面之间被反射四次)，进入开孔1a，然后由图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取，如图中的虚线所示。
在图26中所示的例子中，截止由反射表面反射四次并进入开孔1a的重像光。然而，被截止的重像光可以是由反射表面反射四次或更多次并进入开孔1a的光线。
广角成像光学系统的基本配置不局限于图1中所示的例子，也可以使用任何其它实施例的广角成像光学系统。
实施例15
图27是一个示意性横截面图，描述了实施例15中的一个广角成像装置的基本配置。在基本配置方面，这一实施例与图12中的实施例相同，但不同之处在于，把用于支撑图像形成光学系统5的透镜镜筒461也用作屏蔽部件。因此，不需要另一个屏蔽部件，并有效地利用透镜镜筒461。在此结构中，重像光8c由反射表面1和2反射，然后再由透镜镜筒461截断。因此，可以防止重像光穿过与正常光的光路径相同的光路径，图中的虚线指出了正常光的光路径。
在透镜镜筒461的末端处提供一个遮光罩462，例如由一个涂黑的屏蔽部件形成的遮光罩。遮光罩462可以限制进入图像形成光学系统5的光线，并消除导致散光或闪光的视角之外的不希望的光。
由于以大约等于遮光罩的倾斜角的角度进入的光线，所以可能产生反射光。在此情况下，通过形成如楼梯一样的微细的阶梯，可以使遮光罩不平整，从而允许反射光发散。
在这一实施例中，把遮光罩提供在图像形成光学系统5中。然而，包括透镜3a的折射光学系统也可以使用遮光罩，限制进入折射光学系统的光的射线。
广角成像光学系统的基本配置不局限于图12中所示的例子，也可以使用任何其它实施例的广角成像光学系统。
实施例16
图28显示了包括本发明的广角成像光学系统的宽转换透镜的实施例。在宽转换透镜中，使用了用于视频摄像机或照相机的图像拾取器件301而不是如图1中所示的广角成像光学系统的图像形成光学系统5和成像器件7。这使得每次可以产生覆盖宽范围的图像。不仅图1中的广角成像光学系统而且任何其它实施例的广角成像光学系统都可以用于宽转换透镜。
实施例17
图29和31描述了实施例17的广角成像装置之基本配置的、沿着包含中心轴9的平面截取的示意性横截面视图。在基本配置上，本实施例与实施例1(图1～图5)相同，但不同之处在于：每个反射表面的形状不同于对应于透光部分2a和开孔1a之每个透镜的一部分的形状，以及折射光学系统和图像形成光学系统具有变焦距功能。对与透光部分2a和开孔1a对应的每个透镜的一部分的形状之说明与实施例4中的相同。
在图29中，来自外部的入射光8a由包括变焦距透镜333的折射光学系统3折射，穿过提供在第二反射表面2中的透光部分2a和提供在第一反射表面1中的开孔1a，然后由包括变焦距透镜334的图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。来自外部的入射光8b由第一反射表面1的凸表面和第二反射表面2的凹表面连续地反射，穿过提供在第一反射表面1中的开孔1a，然后由包括变焦距透镜334的图像形成光学系统5成像，并由成像器件7拾取。
图30显示了由图29中的广角成像光学系统产生的一大区域中的物体之图像。第二成像区域的圆形图像341和第一成像区域的环形图像342出现在成像器件7上。在图31中，将变焦距透镜334朝物体侧移动，以改变图29中的广角成像光学系统的放大系数。
图32显示了由图31中的广角成像光学系统产生的物体之图像。通过改变放大系数获得的第二成像区域的圆形图像361和通过改变放大系数获得的并形成在圆形图像361外侧的第一成像区域的环形图像362的部分出现在成像器件7上。通过使用变焦距透镜，在成像器件7的中心，放大中心轴附近的物体之图像，从而可以产生更清晰的图像。
实施例18
图33、34和35是实施例18中的广角成像装置的示意性横截面视图。在基本配置上，本实施例与实施例1(图1～5)相同，但不同之处在于透镜配置和反射表面的形状，以下将对此作详细说明。在图33，34和35每个中，数字下标ai(i＝1，2，3，...)表示第一光学系统的表面号码，bi(i＝1，2，3，...)表示第二光学系统的表面号码，号码i按从物体侧传播的光的顺序增加。参考数字rai和rbi表示每个表面的曲率半径，以及dai和dbi表示透镜的厚度或对应于每个表面的空气间隔。
在本实施例中，反射表面的形状是包括非球面系数的旋转对称非球面表面，以及由下面公式(1)表示挠度量：
Z = h 2 / R 1 + [ 1 - ( 1 + k ) ( h / R ) 2 ] 2 + A 2 × h 2 + A 4 × h 4 + A 6 × h 6 + A 8 × h 8 + A 10 × h 10
其中，h距光轴的高度，R是表面的曲率半径，A2到A10是非球面系数，以及K是锥形系数。
在本实施例中，正如从来自物体的入射光所看到的那样，反射光学系统的第一反射表面具有凸表面，以及第二反射表面具有凹表面。而且，折射光学系统包括具有负放大率的第一透镜组和具有正放大率的第二透镜组，如从物体侧所看到的指示顺序，设置并排、对称地设置。因此，广角成像光学系统在中途点不形成任何中间图像，并且可实现明亮的光学系统。
优选地，透镜光阑的位置位于图像形成光学系统内侧或者图像形成光学系统和第二反射表面之间。采用此配置，第二反射表面的焦点之一与透镜光阑的中心相重合。因此，图像形成光学系统可以使光线成像，同时主光线会聚在透镜光阑位置处。在此实施例中，透镜光阑的位置被设置在第一反射表面的顶点。
图像形成光学系统的透镜按照如从物体侧所看到的下列顺序被设置：一个负透镜、一个正透镜、一个正透镜、以及一个正透镜。这样，甚至采用少量的透镜成像，光学系统可具有一个较长的后焦距、改进的像差校正以及亮度。图像形成光学系统的透镜配置可以是这样的：按照如从物体侧所看到的指定顺序设置一个负透镜、一个正透镜、以及一个正透镜。
插入在接近图像侧的透镜和成像器件7之间的平板用作光学低通过滤器和近红外线截止过滤器。在本实施例中，第一反射表面的形状与对应于开孔1a的图像形成光学系统之透镜的一部分的形状不同。类似地，第二反射表面的形状与对应于透光部分2a的图像形成光学系统之透镜的一部分的形状不同。
在图33和34的配置中，第二反射表面的外部形状小于第一反射表面的外部形状，并把如图25中所示的锥形圆锥罩子用作支撑和保护反射光学系统的部件。在图35的配置中，第一反射表面的外部形状与第二反射表面的外部形状基本上相同，并把如图22中所示的圆柱形罩子用作支撑和保护反射光学系统的部件。
优选地，本实施例满足下列公式(2)到(9)中至少之一：
公式(2)fa＞0
公式(3)fb＞0
公式(4)f2≥d
公式(5)|f12/fa|＞5
公式(6)r2＞0
公式(7)0.3＜r1/r2＜0.7
公式(8)|fb-fa|/|fa|＜0.5
公式(9)1.2＜bf/f1＜1.8
在公式(2)中，fa是第一光学系统的组合焦距。当fa不大于下限时，在第一光学系统内形成中间图像，这样由第一光学系统形成的物体之图像为正立图像。而且，第一光学系统变成中继光学系统，这增加了光学系统的总长度。
在公式(3)中，fb是第二光学系统的组合焦距。当fb不大于下限时，在第二光学系统内形成中间图像，这样由第二光学系统形成的物体之图像为一个正立图像。而且，第二光学系统变成中继光学系统，这增加了光学系统的总长度。在此情况中，当反转由第一光学系统形成的图像时，结果图像是不连续的。
在公式(4)中，f2是第二反射表面的焦距，以及d是第一反射表面和第二反射表面之间的轴上距离。当不满足在公式(4)时，在反射光学系统内形成中间图像，穿过图像形成光学系统的光线的偏移角变得较大，这样使得很难校正图像形成光学系统中的像差。而且，第一光学系统形成的物体之图像为正立图像。因此，当反转由第二光学系统形成的图像时，结果图像是不连续的。
在公式(5)中，fa是第一光学系统的组合焦距，以及f12是第一反射表面和第二反射表面的组合焦距。公式(5)代表反射表面的无聚焦系统度。当该值不大于下限时，减小了第一和第二反射表面的组合焦距。因此，提供了中继光学系统而不是无聚焦系统，同时在广角成像光学系统内形成中间图像，从而光学系统总长度变得较长。
在公式(6)和(7)中，r1是第一反射表面的曲率半径，以及r2是第二反射表面的曲率半径。在公式(5)中，当r2不大于下限时，第二反射表面具有如从物体的入射光所看到的凸表面，以及进入图像形成光学系统的光线是发散的。因此，图像形成光学系统本身变得较大，其反过来也增大了装置的尺寸。
公式(7)代表第一反射表面的曲率半径与第二反射表面的曲率半径的比率。在公式(7)中，当该值不小于上限时，来自第二反射表面的光线以较大的角度进入开孔，这样使得很难校正图像形成光学系统中的像差。而且，也降低了开孔效率，从而不能保证外周的亮度。在公式(7)中，当该值不大于下限时，在第二反射表面上由第一光学系统使用的区域延伸到中心轴附近，这样透光部分的区域变得较窄。因而，来自第二图像形成光学系统中的光线不能穿过透光部分，并且不能形成图像。
公式(8)代表第一光学系统和第二光学系统之间组合焦距的关系，并定义了它们之间的差异。在公式(8)中，当该值不小于上限时，增大了第一光学系统和第二光学系统之间的后焦距的差异。而且，由于第一光学系统的图像形成之放大倍数不同于第二光学系统的图像形成之放大倍数，所以由第一光学系统形成的环形图像和第二光学系统形成的圆形图像是不连续的，从而导致图像的丢失或重叠。
在公式(9)中，bf是当来自无限远处的物体之光线并行地进入图像形成光学系统时、利用空气测量的图像形成光学系统的后焦距，以及f1是图像形成光学系统的组合焦距。在公式(9)中，当该值不小于上限时，增大后焦距，使得光学系统的总长度变得更长，其反过来也增大了装置的尺寸。在公式(9)中，当该值不大于下限时，减小了后焦距，以及不能提供光学系统。
公式(1)～(9)不仅可以应用于图33～35中的配置，也可应用于任何其它实施例的配置。
实例1
实例1是针对图33中的广角成像装置。在实例1中，第一光学系统的焦距fa(mm)、亮度Fno以及成像范围(一半视角)ω(°)如下：
fa＝1.00、Fno＝1.94以及ω＝30°到90°。
表1显示了实例1中的第一光学系统的数字值，其中，nd和vd分别表示在d行上的折射率和Abbe数。在以下的各表中，同样如此。
                                      表1
    编号.     rai     Dai   Nd     vd
    a1     12.687     -3.68   反射表面
    a2     24.582     3.68   反射表面
    a10     ∞     0.15   透镜光阑平面
    a11     -1.292     1.10   1.84666     23.8   粘合透镜
    a12     1.867     1.69   1.72916     54.7
    a13     -3.223     0.11
    a14     5.759     1.62   1.72916     54.7
    a15     -6.777     0.11
    a16     3.970     1.62   1.52404     56.4
    a17     -11.959     0.37
    a18     ∞     2.0   1.51680     64.2
    a19     ∞
在实例1中，第二光学系统的焦距fa(mm)、亮度Fno、以及成像范围(一半视角)ω(°)如下：
fa＝0.75、Fno＝1.94以及ω＝0到30°。
表2描述了实例1中的第二光学系统的数字值。
                                    表2
    编号     rbi     Dbi   nd     Vd
    b1     22.051     0.44   1.84666     23.8
    b2     1.522     1.76
    b3     3.826     1.10   1.51680     64.2
    b4     -0.5316     3.68
    b10     ∞     0.15 透镜光阑平面
    b11     -1.292     1.10   1.84666     23.8 粘合透镜
    b12     1.867     1.69   1.72916     54.7
    b13     -3.223     0.11
    b14     5.759     1.62   1.72916     54.7
    b15     -6.777     0.11
    b16     3.970     1.62   1.52404     56.4
    b17     -11.959     0.37
    b18     ∞     2.0   1.51680     64.2
    b19     ∞
在本实施例中，第一光学系统和第二光学系统共享图像形成光学系统。因此，表1中的a10到a19的值等于表2中的b10到b19的值。在表2和3中，同样如此。
以下显示了实例1中的非球面系数和锥状系数。如以上所描述的，第一光学系统和第二光学系统共享图像形成光学系统。因此，a16表面和a17表面的值分别等于b16表面和b17表面的值。在实例2和3中，同样如此。
a1表面       A4＝2.8000×10-5，K＝0.577
a2表面       A4＝-3.000×10-6，K＝-0.478
a16表面      A4＝-1.304×10-3
             A6＝-3.388×10-3
             A8＝4.371×10-4
             A10＝-7.611×10-5
             K＝-0.814
a17表面      A4＝-1.214×10-2
             A6＝6.983×10-4
             A8＝-2.812×10-4
             A10＝1.681×10-5
             K＝7.287
以下描述了实例1中的公式(2)到(9)的值。
Fa＝1
Fb＝0.75
F2≥d(f2＝12.3，d＝3.68)
|f12/fa|＝34.4
r2＝24.6
r1/r2＝0.52
|fb-fa|/|fa|＝0.25
bf/f1＝1.59
图36A到图36C以及图37A到图37C分别显示了实例1中第一光学系统和第二光学系统的像差曲线。图36A和图37A显示了球面像差(mm)，其中实线表示在587.62nm波长处的值，具有较小间距的虚线表示在435.84nm波长处的值，以及具有较大间距的虚线表示在656.27nm波长处的值。在图38A、图39A、图40A、以及图41A中，同样如此。
图36B和图37B描述了象散(mm)，其中实线表示场的弧矢曲率，虚线表示场的经线曲率。在图38B、图39B、图40B、以及图41B中，同样如此。图36C和图37C描述了失真(％)。在图38C、图39C、图40C、以及图41C中，同样如此。
实例2
实例2针对图34中的广角成像装置。在实例2中，第一光学系统的焦距fa(mm)、亮度Fno、以及成像范围(一半视角)ω(°)如下：
fa＝1.00、Fno＝1.97，以及ω＝30°到90°。
表3描述了实例2中的第一光学系统的数字值。
                                      表3
    编号 rai dai Nd vd
    a1     10.415     -3.40   反射表面
    a2     23.049     3.40   反射表面
    a10     ∞     0.14   透镜光阑平面
    a11     -1.524     1.19   1.84666     23.8   粘合透镜
    a12     2.499     1.83   1.72916     54.7
    a13     -3.010     0.12
    a14     6.699     1.75   1.72916     54.7
    a15     -7.383     0.12
    a16     4.120     1.75   1.52404     56.4
    a17     -25.084     0.34
    a18     ∞     2.0   1.51680     64.2
    a19     ∞
在实例2中，第二光学系统的焦距fa(mm)、亮度Fno、以及成像范围(一半视角)ω(°)如下：
fa＝0.80、Fno＝1.97以及ω＝0到30°。
表4描述了实例1中的第二光学系统的数字值。
                                    表4
    编号     rbi     Dbi     nd     Vd
    B1     20.409     0.41     1.84666     23.8
    B2     1.409     1.77
    B3     3.541     1.02     1.51680     64.2
    B4     -4.920     3.40
    B10     ∞     0.14 透镜光阑平面
    B11     -1.524     1.19     1.84666     23.8 粘合透镜
    B12     2.499     1.83     1.72916     54.7
    B13     -3.010     0.12
    B14     6.699     1.75     1.72916     54.7
    B15     -7.383     0.12
    B16     4.120     1.75     1.52404     56.4
    B17     -25.084     0.34
    B18     ∞     2.0     1.51680     64.2
    B19     ∞
以下描述了实例2中的非球面系数和锥形系数。
a1表面       A4＝1.101×10-4
             A6＝-8.222×10-7，K＝4.533
a2表面       A4＝-8.170×10-5
             A6＝2.503×10-6，K＝8.574
a16表面      A4＝2.231×10-5
             A6＝-3.407×10-3
             A8＝-1.506×10-4
             A10＝4.315×10-5
             K＝-0.294
a17表面      A4＝-1.063×10-2
             A6＝2.140×10-3
             A8＝-9.959×10-5
             A10＝1.032×10-4
             K＝149.704
以下描述了实例1中的公式(2)到(9)的值。
fa＝1
fb＝0.80
f2≥d(f2＝11.5，d＝3.4)
|f12/fa|＝20.5
r2＝23.1
r1/r2＝0.45
|fb-fa|/|fa|＝0.20
bf/f1＝1.38
图38A到图38C以及图39A到图39C分别显示了实例1中第一光学系统和第二光学系统的像差曲线。
实例3
实例3针对图35中的广角成像装置。在实例3中，第一光学系统的焦距fa(mm)、亮度Fno、以及成像范围(一半视角)ω(°)如下：
fa＝1.00、Fno＝2.00以及ω＝25°到90°。
表5描述了实例3中的第一光学系统的数字值。
                                        表5
    编号     Rai     dai     nd     vd
    a1     12.659     -13.82   反射表面
    a2     28.527     13.82   反射表面
    a10     ∞     0.38   透镜光阑平面
    a11     -2.662     2.87     1.84665     23.8   粘合透镜
    a12     3.760     1.52     1.72916     54.7
    a13     -4.125     0.08
    a14     5.822     0.94     1.72916     54.7
    a15     737.670     0.08
    a16     3.017     1.13     1.72916     56.4
    a17     6.441     0.38
    a18     ∞     2.00     1.51680     64.2
    a19     ∞
在实例3中，第二光学系统的焦距fa(mm)、亮度Fno、以及成像范围(一半视角)ω(°)如下：
fa＝0.80、Fno＝2.00，以及ω＝0到25°。
表6描述了实例1中的第二光学系统的数字值。
                                      表6
    编号     rbi     dbi     nd     vd
    b1     -2.519     0.60     1.67270     32.2
    b2     -17.248     0.75
    b3     25.568     0.60     1.72825     28.3
    b4     2.451     0.45
    b5     16.328     1.13     1.51680     64.2
    b6     -10.878     5.10
    b7     9.947     3.02     1.56883     56.0
    b8     -8.364     1.13
    b9     13.82
    b10     ∞     0.38 透镜光阑平面
    b11     -2.662     2.87     1.84665     23.8 粘合透镜
    b12     3.760     1.52     1.72916     54.7
    b13     -4.125     0.08
    b14     5.822     0.94     1.72916     54.7
    b15     737.670     0.08
    b16     3.017     1.13     1.72916     54.7
    b17     6.441     0.38
    b18     ∞     2.00     1.51680     64.2
    b19     ∞
以下描述了实例1中的非球面系数和锥形系数。
a1表面       A4＝1.900×10-5
             A6＝1.037×10-7，K＝0.271
a2表面       A4＝-2.000×10-6
             A6＝-4.713×10-9，K＝-0.515
以下描述了实例1中的公式(2)到(9)的值。
fa＝1
fb＝0.80
f2≥d(f2＝14.3，d＝13.8)
|f12/fa|＝15.3
r2＝28.5
r1/r2＝0.44
|fb-fa|/|fa|＝0.20
bf/f1＝1.34
图40A到图40C和图41A到图41C分别显示了实例1中第一光学系统和第二光学系统的像差曲线。
实施例19
图42显示了第一反射表面和第二反射表面的组合、并对应于沿着包含中心轴9的平面截取的横截面视图。图42仅说明了图像形成光学系统的透镜和与透镜整体地形成的第一反射表面221、以及折射光学系统的透镜和与透镜整体地形成的第二反射表面221，但没有示出第三反射表面、成像器件等。
在此配置中，第一反射表面221具有如从物体侧的入射光所看到的凸表面，第二反射表面222具有从入射光所看到的凹表面。在图42中，并排地设置两对反射表面。然而，这些成对反射表面的一半也可以应用于如图1到图12中所示的任何配置。
实施例20
图43显示了实施例20中的广角成像装置的立体图。与实施例5～10一样，本实施例使用了两个广角成像光学系统。如图43中所示，第一反射表面251和第二反射表面252包括在第一广角成像光学系统257中，同时第一反射表面254和第二反射表面255包括在第二广角成像光学系统258中。
在本实施例中，第一广角成像光学系统257的中心轴253和第二广角成像光学系统258的中心轴256以除180度之外的角度θ交叉。即，中心轴随着广角成像光学系统的不同而不同。另一方面，以上实施例中的每个均显示了θ＝180度的例子，这意味着中心轴对于各广角成像光学系统是公用的。
在图43中，两个中心轴具有交叉点。然而，在这些中心轴之间可以不提供交叉点。在实施例5到10中，中心轴可以以预先确定的角度θ交叉，也可以没有交叉点。
实施例21
图44描述了Si2AsTe2的透光曲线，Si2AsTe2为Si-As-Te玻璃。正如可以从图中所看到的，在红外波长区域(1～10μm)，Si2AsTe2局有一个较高的透射率。类似地，材料(例如锗)在红外波长区域也具有较高的透射率。另一方面，例如，由例如涂有Al和MgF2的玻璃衬底形成的反射镜可以反射至少85％的在从可见到红外之宽范围的波长区域中的光。
因而，在以上的每一实施例中，当由例如涂有Al和MgF2的玻璃衬底形成的反射镜与包括由例如Si2AsTe2或锗制作的透镜的折射光学系统和图像形成光学系统相组合时，反射表面反射光，并且折射光学系统和图像形成光学系统均传送从可见到红外之宽范围的波长区域中的光。这样，该装置可以用于从可见到红外之宽范围的波长区域。
实施例22
图45显示了包括以上实施例中的广角成像装置的任何一个的监视成像系统。监视成像装置271安装在监视空间275中，并通过电缆274连接到监视器272和图像处理器273。由图像处理器273处理产生的图像，以创建一个全景图像，其使得可以执行覆盖宽范围的实时监视。图像处理器273也用作记录介质，使得这些图像可被存储并用作数据库。
而且，当采用如在实施例13中所描述的反射表面和透镜的组合时，该装置可以用于从可见到红外之宽范围的波长区域中。这样，可在白天或夜间的任何时候，执行覆盖宽范围的监视，并可记录其条件。
实施例23
图46描述了包括以上实施例中的广角成像装置的任何一个的车载成像系统。当安装车载成像装置281(例如安装在车辆282的后视镜、前视镜、或侧视镜部分)时，产生的全景图像显示在安装在车辆282中的车载监视器283上，从而车载成像装置281可以用作后视监视器、前视监视器、或侧视监视器。这使得驾驶员可以实时掌握交通情况，从而确保更安全舒适的驾驶。
实施例24
图47显示了包括以上实施例中的广角成像装置的任何一个的投影系统。在投影系统中，空间光调制器292例如是形成光学图像的液晶面板。屏幕294用作聚焦平面，广角成像光学系统291把图像投影在聚焦平面上。
图像形成在由光源293照射的空间光调制器292上，然后由广角成像光学系统291放大，并且投影到屏幕294上。这样，实现可以为观察者提供极宽视野的视频投影仪。
实施例25
实施例25中的广角成像装置可以安装在物体上，并且安装角度可以调整。图48和49每个显示了当广角成像装置用作车载成像装置时的实施例。在这些例子中，车载成像装置371安装在车辆373后部中的侧面。车载成像装置371的基本配置可以为以上实施例中的广角成像装置的任何一个。
在图48的实例中，车载成像装置371安装在车辆373上，并使其中心轴基本上垂直于将加以成像的地面。在图49的实例中，通过改变安装角度以便中心轴相对于地面倾斜，来安装车载成像装置381。相对车辆373对车载成像装置的安装角度的如此改变，允许把成像范围从一个成像范围372(图48)改变到一个成像范围(图49)。
当提供了用于改变车载成像装置的安装角度的可移动装置，以从车辆373内部控制安装角度时，可以容易地改变成像范围，从而可以检测周围环境，并对周围环境精确地加以识别。
在这一实施例中，广角成像装置用作车载成像装置。然而，并不局限于此，例如，也可以用作例如监视成像装置。
实施例26
图50和52每个显示了车载成像装置的实施例。在图50中，车载成像装置391安装在车辆393上。对角线阴影区域392标示成像范围。车载成像装置391包括移动物体检测功能，并且该装置本身的基本配置可以为以上实施例中的广角成像装置的任何一个之基本配置。
图51和52显示了车载成像装置391的宽区域图像。当车辆394进入车载成像装置391的成像范围392中时，移动物体检测功能运作，以便车辆394的图像作为移动物体图像402出现在宽区域图像401上，如图51中所示。
而且，当车辆394移动时，对其自动进行追踪，并且车辆394的图像出现在宽区域图像411上作为移动物体图像412，如图52中所示。移动物体检测功能允许抽取和显示周围任何移动的物体，这样引起观察者更多的注意。
实施例17、25以及26的组合也可作为包括变焦功能、随偏好的可变成像范围功能、以及移动物体检测功能的广角成像系统，提供高度改进的成像。
产业上的应用性
如以上所描述的，本发明包括具有第一反射表面和第二反射表面的折射光学系统、提供在第一反射表面和第二反射表面之间的开口部分、提供在第二反射中的透光部分、以及提供在第一反射表面的开孔；由此产生覆盖宽范围(例如360度最大水平视角和大约180度垂直视角)的全景图像。而且，主光学系统可以由不产生色差的反射表面构成。这不仅减少了设计的工时，而且还减少了制造上的限制，以便可以实现小型的、轻重量的、低成本的、以及明亮的广角成像光学系统。因此，本发明的广角成像光学系统可用于监视成像装置、车载成像装置以及投影装置。

Claims (44)

1.一种广角成像光学系统，包括：
折射光学系统；
反射光学系统；以及
图像形成光学系统，
其中，所述反射光学系统和所述图像形成光学系统按照如从较长的共轭距离侧所看到的指示顺序被设置，并且构成第一光学系统；以及所述折射光学系统和所述图像形成光学系统按照如从较长的共轭距离侧所看到的指示顺序被设置，并且构成第二光学系统，
其中，所述反射光学系统包括直接反射来自物体之光线的第一反射表面，以及反射来自所述第一反射表面之光线的第二反射表面，
其中，在所述第一反射表面和所述第二反射表面之间设置一个开口部分，并且来自所述物体的光线进入所述开口部分，
其中，在所述第二反射表面中设置一个透光部分，并且透过已进入所述折射光学系统的光线，以及
其中，在所述第一反射表面中设置一个开孔，它允许来自所述第二反射表面和所述折射光学系统的光线进入所述图像形成光学系统。
2.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述第一光学系统和所述第二光学系统共享所述图像形成光学系统。
3.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，没有中间图像形成在所述广角成像光学系统内。
4.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，满足下式表示的关系：
fa＞0
fb＞0
其中，fa是所述第一光学系统的组合焦距，以及fb是所述第二光学系统的组合焦距。
5.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，满足以下表示的关系式：
f2≥d
其中，f2是所述第二反射表面的焦距，以及d是所述第一反射表面和所述第二反射表面之间的轴上距离。
6.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，满足下式表示的关系：
|f12/fa|＞5
其中，fa是所述第一光学系统的组合焦距，以及f12是所述第一反射表面和所述第二反射表面的组合焦距。
7.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，满足以下表示的关系式：
r2＞0
0.3＜r1/r2＜0.7
其中，r1是所述第一反射表面的曲率半径，以及r2是所述第二反射表面的曲率半径。
8.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，满足以下表示的关系式：
|fb-fa|/|fa|＜0.5
其中，fa是所述第一光学系统的组合焦距，以及fb是所述第二光学系统的组合焦距。
9.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，满足以下表示的关系式：
1.2＜bf/fi＜1.8
其中，bf是当来自无限远处的物体之光线并行地进入所述图像形成光学系统时、利用空气测量的所述图像形成光学系统的后焦距，以及fi是所述图像形成光学系统的组合焦距。
10.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述折射光学系统包括具有负放大率的第一透镜组和具有正放大率的第二透镜组，所述第一透镜组和所述第二透镜如从物体侧所看到的指示顺序被设置。
11.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面至少之一在形状上为旋转对称非球面表面。
12.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述第一光学系统的图像形成之放大系数和第二光学系统的图像形成之放大系数具有相同的符号。
13.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述第一光学系统的图像形成之放大系数和所述第二光学系统的图像形成之放大系数均为负。
14.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述第一反射表面的至少一个焦点和所述第二反射表面的至少一个焦点相重合。
15.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，透镜光阑位于所述图像形成光学系统内或者所述图像形成光学系统和所述第二反射表面之间。
16.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述第二反射表面的焦点与所述透镜光阑的中心相重合。
17.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，在所述开孔的外周附近形成屏蔽部件。
18.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述屏蔽部件支撑所述图像形成光学系统。
19.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述图像形成光学系统包括限制进入所述图像形成光学系统之光线的遮光罩。
20.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述图像形成光学系统的多个透镜按照如从物体侧所看到的下列顺序被设置：一个负透镜、一个正透镜、以及一个正透镜。
21.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述图像形成光学系统的透镜按照如从物体侧所看到的下列顺序被设置：一个负透镜、一个正透镜、一个正透镜、以及一个正透镜。
22.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述折射光学系统包括限制进入所述折射光学系统之光线的遮光罩。
23.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述第一反射表面与所述图像形成光学系统的一个透镜整体地形成。
24.根据权利要求23的广角成像光学系统，其中，所述第一反射表面的形状与对应于所述开孔的所述图像形成光学系统之透镜的一部分的形状基本上相同。
25.根据权利要求23的广角成像光学系统，其中，所述第一反射表面的形状与对应于所述开孔的所述图像形成光学系统之透镜的一部分的形状不同。
26.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述第二反射表面与所述折射光学系统的一个透镜整体地形成。
27.根据权利要求26的广角成像光学系统，其中，第二反射表面的形状与对应于该透光部分的所述折射光学系统之透镜的一部分的形状基本上相同。
28.根据权利要求26的广角成像光学系统，其中，所述第二反射表面的形状与对应于该透光部分的该折射光学系统之透镜的一部分的形状不同。
29.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述图像形成光学系统包括反射成像之光线的第三反射表面。
30.根据权利要求1的广角成像光学系统，其中，所述折射光学系统和所述图像形成光学系统对于包括1μm～10μm的红外波长区域是透光的。
31.一种广角成像装置，包括：
根据权利要求1到30的任何一个的广角成像光学系统；以及
成像器件，用于拾取该图像形成光学系统形成的图像。
32.根据权利要求31的广角成像装置，其中设置多个广角成像光学系统和对应于所述多个广角成像光学系统之每一个的若干个成像器件，以产生一个物体的若干个独立图像。
33.根据权利要求32的广角成像装置，其中设置两个广角成像光学系统和对应于所述两个广角成像光学系统之每一个的若干个成像器件，以产生一个物体的若干个独立图像；及
当将结合第一反射表面和第二反射表面的曲率中心的一个轴标识为中心轴时，这两个广角成像光学系统相对于垂直于该中心轴的一个轴对称设置。
34.根据权利要求32的广角成像装置，其中，所述多个广角成像光学系统共享单个成像器件。
35.根据权利要求31的广角成像装置，其中，当把其中光线进入所述反射光学系统的区域标识为第一成像区域，以及把其中光线进入所述折射光学系统的区域标识为第二成像区域时，由所述成像器件拾取的图像包括通过占据所述第二成像区域获得的圆形图像和通过占据所述第一成像区域获得的、并形成在所述圆形图像外侧的环形图像，
所述第一成像区域和所述第二成像区域互相不重叠，而且
所述圆形图像和所述环形图像被连续设置。
36.根据权利要求31的广角成像装置，其中设置一个保护部件，以包围所述开口部分。
37.根据权利要求36的广角成像装置，其中，所述保护部件配置有用于防止内部反射的薄膜。
38.根据权利要求36的广角成像装置，其中，所述保护部件基本上为截头圆锥体状，而且所述保护部件在所述第一反射表面处的内径不同于所述保护部件在所述第二反射表面处的内径。
39.根据权利要求31的广角成像装置，其中，所述折射光学系统和所述图像形成光学系统至少之一具有变焦距功能。
40.根据权利要求31的广角成像装置，其中，所述广角成像装置可以安装在物体上，并且安装角度可以被调整。
41.根据权利要求31的广角成像装置，其中，所述广角成像装置包括移动物体检测功能。
42.一种监视成像装置，包括根据权利要求1到30的任何一个的广角成像光学系统。
43.一种车载成像装置，包括根据权利要求1到30的任何一个的广角成像光学系统。
44.一种投影装置，包括根据权利要求1到30的任何一个的广角成像光学系统。
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