CN1882864A - 具有单视点的立体反折射透镜 - Google Patents

Abstract

带有单视点的立体反折射透镜(100)具有在透镜光轴上具有中心C的球形折射表面(102)。透镜的椭球体反射表面(104)面对球形折射表面，使得其具有与所述中心C重合的第一焦点F₁。此外，透镜还具有面对所述椭球体反射表面用于成形通过所述单视点的光的成形表面(106)。成形表面可以是反射的、折射的或半透明的，并且它的性质可以是椭球形的而它的第一焦点F₁′与椭球体反射表面的第二焦点F₂重合。透镜的单视点在球形反射表面的中心C处并且通过依赖于成形表面类型选择位于透镜内部、表面甚至外部各点的孔径(112)而得以实施。

Description

具有单视点的立体反折射透镜

技术领域

本发明总的涉及关于其中需要单视点的诸如视觉和成像等应用的透镜，尤其涉及具有单视点的反折射透镜。

背景技术

在诸如自我运动估计和跟踪的计算性视觉中的应用通常需要成像较大的视场。也希望成像系统具有单视点以从该成像系统获取的全景图中产生几何学上正确的透视图。单一并固定的视点限制要求在三维空间中的成像系统仅捕获通过单个点的光，从而在已知作为有效视点的点处采样5维全光(plenoptic)函数。这些成像系统可由曲面镜和透镜的组合体识别。虽然这些反折射系统具有较大视场并能够满足单视点的要求，但是它们笨重，昂贵并且巨大。

许多宽视场光学使用涂层镜以视场变暗为代价来产生高质量的像。图1示出了现有技术中这一类型的光学系统10的一个简单实例。系统10具有在光轴16上排列的两面涂层镜12和14。镜14接收来自景物20的光并将其反射给镜12。镜12再将光反射回镜14，这样光就通过镜14中的孔径18并在屏幕24上投影景物20的像22。

镜12使得由镜14可见的视场锥形中央部分26变暗。这一变暗的结果是造成了像22中的阴影28。为了成像，来自景物20的光必须以大于锥形26的角(例如相对于轴16的入射角θ_i)的角度入射在镜14上。

现有技术包括关于望远镜及其他使用上述原理系统的教示。例如，Sigler的美国专利No.5,089,910公开了带有两个镜的反折射变焦中继望远镜，其中两镜中的第一镜或主镜是非球面的。Sinclair等人的美国专利No.5,940,222公开了使用相同原理的反折射变焦透镜组合体。

诸如机器人视觉和全景成像的某些应用要求光学系统具有单视点。这一条件使得该光学系统得以产生在它的视场中对象的透视图。在某些应用中，还期望最大化成像自单视点的视场大小。

在单系统内很难满足上述所有条件。反折射变焦中继望远镜和透镜组合体通常被限制在较小的视场，并且很多并不具备单视点。事实上，许多高质量系统提供完美的轴上性能但固有地不具备单视点，例如Hicks在美国专利No.6,412,961中公开的那样。Powell在美国专利No.5,473,474中公开了成像大视场但缺乏单视点的全景透镜。而使用涂层镜结构的另一种方法在Kuroda等人的美国专利No.5,854,713中也有所体现。该专利描绘了内凹的反射型视角转换光学装置，但仍旧缺乏单视点。另一个值得注意的是Charles在美国专利No.6,449,103中示出的反折射系统。另外还值得参考的包括公开了抛物平面反射器的美国专利No.4,566,763和公开了双曲线反射器的美国专利申请No.2003/0142203。

现有技术并为教示具有单视点的系统。例如，Rees在美国专利No.3,505,465中公开了任何使用双曲线镜产生用于个人观看图像(诸如TV或由摄影机产生的视频图像)的单视点系统。最近，Nayar在美国专利No.5,760,826和6,118,474中描述了使用大致呈抛物平面形的反射器来成像的成像装置，其中所述反射器的焦点符合单视点。这一成像装置具有光学耦合至抛物线形反射器的远心装置，用于滤出不是由该抛物线形反射器正射的电磁辐射主光线。

不幸的是，现有技术都没有提供可在要求在大视场内分布对象的全景投影或透视图的视觉系统中使用的紧密、有效并易于制造的单视点透镜。

目的和优点

由上所述，本发明的一个目标在于提供一种紧密、有效、坚固并易于制造，同时具有单视点和大视场的反折射透镜。尤其是，本发明的一个目标在于提供能够在诸如要求全景投射的视觉系统的视觉系统中使用的单视点反折射透镜。

一旦阅读了后续描述，本发明的这些和其他目标和优点将变得显而易见。

发明内容

本发明的目标和优点由带有单视点的立体反折射透镜保证。该透镜具有光轴以及位于光轴上并且其中心为C的球形折射表面。该透镜具有面对球形折射表面排列的椭圆形反射表面，使得该椭球体反射表面的第一焦点F₁与球形折射表面的中心C重合。该透镜的单视点位于球形折射表面的中心C。此外，该透镜还具有面对椭球体反射表面的成形表面，用于成形通过该单视点的光。

在一组实施例中，成形表面是折射成形表面并且透镜具有迫使单视点位于中心C的孔径。该孔径位于椭球体反射表面的第二焦点F₂处。构造透镜使得椭球体反射表面的第二焦点F₂像第一焦点F₁一样位于光轴上。

在成形表面是折射成形表面的某些实施例中，第二焦点F₂的位置接近或者就位于折射成形表面上。在使用折射成形表面的另一些实施例中，第二焦点F₂在透镜内。折射成形表面能够呈现各种形状，但是最好是椭圆形，从而形成椭圆折射成形表面。出于光成形的理由，也同样优选其第一焦点F₁′与椭球体反射表面的第二焦点F₂重合的椭圆折射成形表面。在某些实施例中，最好使得椭圆折射成形表面的圆锥常数K₂等于椭球体反射表面的圆锥常数K₁。

在另一组实施例中，成形表面是反射表面并且孔径被用于实现单视点。例如在该组的某些实施例中，该孔径位于椭球体反射表面上。在可选实施例中，该孔径远离椭球体反射表面。同样出于光成形的理由，该反射表面最好是第二椭球体反射成形表面。此外在某些特定的实施例中，第二椭球体反射成形表面具有与椭球体反射表面的第二焦点F₂重合的第一焦点F₁′。在某些特定实施例中，第二椭球体反射成形表面的圆锥常数K₂等于椭球体反射表面的圆锥常数K₁。

应该认识到无论成形表面是折射或反射的，它都能够呈现包括圆锥部分的形状。可选地，成形表面也可以是平的。此外，成形表面也不仅仅是折射或反射的，它也可以是半透明的。

最好使用折射率为n的光学材料制造立体反折射透镜。合适的材料包括玻璃、塑料和其他已知的光学材料。

本发明还提供单视点视觉系统。视觉系统利用立体反折射透镜来成形通过单视点的光。应该注意到视觉系统可以分别用于为诸如扫描或成形而进行光投影或光收集。在使用透镜成像的实施例中，可以提供成像元件用于光在像平面板内成像单元或屏幕上的成像。在扫描应用中，提供扫描装置。

在某些实施例中，使用光学中继来使来自透镜的光通过应用设备。例如，在成像视觉系统内配置透镜时，可使用光学中继以使得光通过像平面。在扫描视觉系统中，可使用光学中继将来自扫描元件(例如，扫描镜)的光送至透镜。

如下将参考附图在详尽描述中解释本发明的细节。

附图说明

图1(现有技术)是示出了一类离轴光学系统的三维图。

图2是示出根据本发明的一个透镜实施例的横截面侧视图。

图3是成像时使用的图2透镜的横截面侧视图。

图4是示出根据本发明的另一个透镜实施例的横截面侧视图。

图5是根据本发明的带有交叠几何形状的透镜的横截面侧视图。

图6是带有交叠几何形状的另一个透镜的横截面侧视图。

图7是用于投影或成像的交叠透镜的横截面侧视图。

图8是示出了具有成像元件并利用图7透镜的视觉系统的三维示图。

图9是示出了具有扫描排列并利用图7透镜的另一个视觉系统的横截面侧视图。

图10是根据本发明的又一个透镜的横截面侧视图。

图11是类似于图2所示透镜并带有光学中继的透镜横截面侧视图。

具体实施方式

通过首先参考图2中以横截面侧视图形式示出的单视点立体反折射透镜30的实施例将最好地理解本发明。透镜30具有光轴32并由折射率为n的光学材料制成。光学材料优选是均匀的并其呈现出的折射率变化基本上为零或很小。合适的材料包括玻璃、诸如可模压塑料的塑料以及其他光学材料。

透镜30具有其中心C位于光轴32上的球形折射表面34。传播至中心C的光36以及来自中心C的光36′以垂直入射方式穿过球形折射表面34。球形折射表面34定义了透镜30通过其收集光36并将光36′投射入其中的立体角Θ。

透镜30具有面对球形折射表面34的椭球体反射表面38。可通过对其提供反射涂层或薄膜40(如此实施例中所示)或通过其他方法使得椭球体反射表面38具有反射性。椭球体反射表面38通过旋转如虚线38′所示的数学椭圆来形成。更具体地，表面38可通过绕光轴32旋转椭圆38′而定义。表面38可被定向以使得第一焦点F₁与球形折射表面34的中心C在光轴32上重合。由表面38定义的第二焦点F₂的也在光轴32上并位于透镜30内。

透镜30具有面对椭球体反射表面38的成形表面42，用于成形通过中心C的光36和36′。实际上，中心C是透镜30的视点。提供孔径44以确保中心C是透镜30的唯一视点。换句话说，孔径44实现了透镜30的单视点。优选地，通过嵌入透镜30光学材料内的物并在第二焦点F₂处具有针孔或光阑来形成孔径44。可选地，孔径44可由透镜30的光学材料的非透明部分定义。本领域熟练技术人员将认识到可以使用很多其他方法定义孔径44。

成形表面42可以采用任何形状并可位于孔径44之后的任何位置甚至就在孔径44处，只要发现这适合于为给定应用成形光36和36′。在此实施例中，成形表面42是折射成形表面，用于光36和36′进入和离开透镜30。实际上，折射成形表面42是通过绕光轴32旋转由虚线示出的数学椭圆42′形成的椭圆折射成形表面。出于光成形的原因，该椭圆折射成形表面42最好使其第一焦点F₁′与由表面38定义的第二焦点F₂重合，并且使其第二焦点F₂′位于光轴32上并在透镜30内。更优选地，表面42的圆锥常数K₂，它等于：

$K_2=-\frac{1}{n^2}$

其中n是光学材料的折射率。在此情况下，通过立体角Θ进入透镜30的光36通过表面42以基本平行于光轴32的方向从透镜30中呈现。如在本实施例中，还可能设置表面38的圆锥常数K1等于圆锥常数K2。

平面46放置在透镜30之前。当透镜30收集以与光轴32成θ_i的入射角到达的光36时，平面46随后就可以是在其上投射光36的屏。按此模式，透镜30可用于成像。可选地，平面46以大致与光轴32平行的方式将光36′射入透镜30。按此模式，透镜30将光36′投射入立体角Θ并可用于像的投影。

参考图3的横截面侧视图说明用于广视场成像的透镜30的操作。视场由透镜30通过其收集光36的立体角Θ定义。应该注意到角Θ关于光轴32对称。

放置透镜30使得它位于中心C的单视点比物平面48高h。多个物点P₁、P₂、P₃和P₄位于物平面48上(点P₃和P₄在平面48上远离光轴32)。光36从物平面48发出并在光束50、52、54和56中传播至透镜30。点P₁位于视场的一边使得从中发出的光束50以最小入射角θ_min进入透镜30。点P₄位于视场的另一边使得从中发出的光束56以最大入射角θ_max进入透镜30。透镜30的设计使得最大入射角θ_max能接近90°。以虚线画出光束50和56以指示它们限制透镜30的视场。

光束50，...56通过球形折射表面34进入透镜30。随后它们通过位于中心C的单视点并传播至反射椭圆表面38。在表面38处，光束50，...56被反射至椭圆折射成形表面42。孔径44通过允许光束50，...56继续传播至椭圆折射成形表面42同时阻止通过球形折射表面34进入但没有通过中心C处的单视点的光来实现单视点。

因为表面38和42的圆锥常数K₁和K₂是相等的，即K₁＝K₂＝-1/n²，并且焦点F₂和F₁′重合，所以光束50，...56的光36在离开透镜30时与光轴32大致平行。这是期望的成形类型，因为光束50，...56被投影在像平面46上而无需请求进一步的光学成形。物平面48上的点P₁，...P₄由此可被成像至像平面46上的对应被成像点P₁′，...P₄′。

透镜30的优点在于以相等角度间隔或视场角射在折射表面34上的光束50，...56被按照在离开椭圆折射成形表面42时与光轴32的距离被线性映射。这就意味着在相等视场角处的物点P₁，...P₄被映射至在像平面46内基本相互等分的被成像点P₁′，...P₄′。视场角和在像平面46内离光轴的距离之间的大致呈线性的映射在许多成像应用中是有用的，并在有时被称为f-θ成像。

图4是单视点反折射透镜60的另一个实施例的横截面侧视图。透镜60由折射率为n的可模压塑料制成并具有其中心C位于光轴64上的球形折射表面62。表面62面对椭球体反射表面66。排列这两个表面使得由表面66定义的第一焦点F₁与中心C重合。成形表面68面对表面66。在此实施例中，成形表面68是反射性的并是抛物平面形的，这样就形成了抛物平面反射成形表面。表面68由光轴64上的单焦点F₁′定义。此外，焦点F₁′与表面66的第二焦点F₂重合。在此实施例中，表面66和68的圆锥常数K₁和K₂不等。

透镜60具有孔径70，用于实现中心C处的单视点。因为光无法通过抛物平面反射成形表面68，所以孔径位于面对表面66处。在此实施例中，孔径70被定义在椭球体反射表面66之内或之上。例如，孔径70是覆盖表面66的反射涂层或薄膜内的针孔。另外，孔径70可放置在表面66之后或之前。

用于发射光36′的投影单元72位于表面66之后并以光轴64为中心。单元72可以是光发射器阵列，并且在这里用于说明用于将光36′投影入由角Θ指示的视场的透镜60的应用。视场定义最小发射角σ_min以及最大发射角σ_max。单元72从诸如像素74的发射器中发出光36′，像素74离光轴64足够远以映射至发射角σ，其中σ_min＜σ＜σ_max。例如，从离光轴64距离d处的像素74发出的光36′被允许通过孔径70进入透镜60并以发射角σ发射。本领域普通技术人员应该认识到可以在表面66和单元72之间放置诸如透镜和反射镜的附加光学元件以执行任何特定应用可能要求的各种光成形以及引导功能。

在一个应用中，使用透镜60把光36′投影入它的视场。单元72激活像素74，用于将光36′以与光轴64呈σ的发射角发射。光36′平行传播并从光轴64偏移距离d，并且被允许通过孔径70进入透镜60。透镜60的光引导属性在光36′通过球形折射表面62离开透镜60时将光36′映射至角σ。

在另一个应用中，可以使用透镜60来收集从视场到达的光36，例如以入射角θ_i＝σ，其中入射角θ_i＝σ大于最小入射角θ_min＝σ_min并小于最大入射角θ_min＝σ_max。

可以使用许多方法修改本发明单视点反折射透镜的几何形状。例如，透镜的椭圆表面可以是交叠的。图5示出了具有外部轮廓82和84的交叠单视点反折射透镜80的一个实施例。透镜80具有其中心C与单视点重合的球形折射表面86。具有第一焦点F₁和第二焦点F₂的椭球体反射表面88面对表面86，并且它的第一焦点F₁与中心C重合。在此以具有第一和第二焦点F₁′和F₂′的第二反射椭圆成形表面的形式的成形表面90面对表面86。所有的焦点都在光轴87上。

旋转以形成表面88和90的椭圆92和94为了明晰由虚线指示。与先前实施例相对的是，椭圆94的第二焦点F₂′在视点或中心C的另一侧甚至可以在表面88之后。椭圆92和94以及由其旋转形成的表面88和90的重叠产生了在此被称为交叠的几何形状。

在外部轮廓82上借助反射涂层或薄膜(未示出)形成第二反射椭圆成形表面90。可以缩减表面90的尺寸以增大透镜80的视场。外部轮廓84从表面88中伸出并在平耦合面96处终结。面96是透明的并且放置面96以使得表面90的第二焦点F₂′落在其上。实际上，面96的大小定义了在中心C处实现单视点的透镜80的孔径。如果希望小孔径，随后就在面96上加罩，并且罩内的中央开口可以定义该孔径。

为了理解透镜80的操作，我们跟随光36的入射光束98进入透镜80，同时应该认识到透镜80也可以投影光36′。光36通过表面86进入透镜80，通过位于中心C的单视点并由表面88反射。由数学知识可知光通过椭圆形一个焦点并在它的第二焦点处内部反射会聚，于是光36就传播至第二焦点F₂。通过设计，第二焦点F₂能够与同样是椭圆体的表面90的第一焦点F₁′重合，这样就对光36实施了相同的数学规则。更具体地，光36从表面90反射并在耦合面96上的第二焦点F₂′会聚。

光36通过面96出耦合，并可按需由透镜80的展开条件来进一步成形、偏离和/或导引。例如，可以把成形元件放在面96之后以引导光36进入像平面。或者，可以在那里放置光学中继以成形并引导光36。

通过具有图6中的光线路径的反折射透镜100具体实现另一个交叠几何形状。透镜100的基本几何形状由9个几何设计参数描述：R、R₁、K₁、R₂、K₂、L₁、L₂、L₃和L₄。前五个参数分别表示：球形折射表面102的半径、椭球体反射表面104的曲率半径、表面104的圆锥常数、第二椭球体反射成形表面106的曲率半径、表面106的圆锥常数。参数L₁、L₂、L₃和L₄对应所示的长度。此外，108是表面106的顶点，110是表面104的顶点，而112是实现透镜100单视点的孔径。应该注意到表面106的第二焦点F₂′落在孔径112内的表面104上。应该注意到在此实施例中，表面106位于外部轮廓118上。

透镜100的设计是完全闭合形式解。这样，任何使用透镜100的任何视觉系统的光线性能大部分都依赖于它光学中继的设计。在此实施例中，单个中继透镜114表示以光36的单波长在像平面116内成像的光学中继。本领域普通技术人员应该理解可以使用带有平像场器的更消色差的光学中继来进行有色成像。

可以通过改变R、R₁和R₂的值将透镜100缩放为不同的尺寸。透镜100的大体形状和它的角度放大率受参数K₁和K₂的比率控制。一旦调节这些参数，就可使用随后的等式找出L₁、L₂、L₃和L₄：

$L_1=R_1\frac{[1-\sqrt{-K_1}]}{1+K_1};$

$L_2=\frac{{2R}_1\sqrt{-K_1}}{1+K_1};$

$L_3=R_2\frac{[1-\sqrt{{-K}_2}]}{1+K_2};$

$L_4=\frac{{2R}_2\sqrt{{-K}_2}}{1+K_2}.$

这就确保了第二椭球体反射成形表面106的第一几何焦点F₁′与椭球体反射表面104的第二几何焦点F₂重合。该实施例示出了其中L₄＝L₁+L₂的特殊情况，即第二椭球体反射成形表面106的第二几何焦点F₂′重叠在椭球体反射表面104的顶点110上。如上所述，这就使得依赖于期望的光强度的其直径约为2mm或更小的孔径112落在顶点110上。较佳地，孔径112是椭球体反射表面104在使用诸如铝的反射涂层涂布整个表面104之前被屏蔽的那一部分。

图7示出了又一个交叠单视点透镜120，没有任何外部轮廓和由立体角Θ描述的视场。透镜120具有面对椭球体反射表面124的球形折射表面122，使得表面122的中心C与表面124的第一焦点F₁重合。表面124面对半透明的椭球体成形表面126使得表面124的第二焦点F₂与表面126的第一焦点F₁′重合。表面126的第二焦点F₂′落在孔径128内的表面124上。中心C和全部的焦点都在透镜120的光轴130上。

挨着表面124放置的光学中继132用于把显示单元134生成的光36′导入透镜120。更具体地，中继132是把平行光轴130传播的光36′导入透镜120的远心中继。中继132将光36′偏离光轴130的距离d转换成透镜120的允许进入角α。参考量f指示中继132的焦距。依靠中继132的设计，允许进入角α是在角α值较小时距离d的大致线性函数。

操作期间，对光轴130的偏移距离为d的显示单元134的像素136生成光36′。中继132把光36′以允许进入角α导入透镜120。光36′从半透明表面126和表面124反射，并在随后以发射角σ通过表面122离开透镜120。在此过程期间，角α被“放大”至角σ并且角度放大率由σ/α给出。光36′的部分138经由半透明表面126离开透镜120。部分138可用于监控透镜120和/或显示单元134的操作。部分138还可用于验证透镜120以及显示单元或其他功能的校准。本领域普通技术人员应该认识到半透明表面126的透明度可依靠这些功能进行调整。也应该注意到半透明表面126的透明度可依赖于光36′的波长。

在另一实施例中，通过接收光36并且使其投影到像素136上来相反地操作透镜120。在该情形中，用感光元件(例如成像阵列的成像元件)来代替显示单元134。该阵列像素136是感光的。注意到光36的一部分透射过半透明表面126。

从上述设计的一个小示例中清楚可见，根据本发明的反折射透镜功能多、结构简单、坚固且易于生产。可将其分为几个部分或通过诸如模制的技术整体制造。它们的光学性能极大地取决于表面精度，以及把光传送至并从中收集光的辅助光学中继的设计。应该基于视觉系统或应用来设计这些中继，并基于该系统是带有成像元件、扫描装置或显示元件的系统来选择特定的设计。

图8示出了使用具有反射椭球体表面126′而非半透明状表面126的透镜120的单视点视觉系统140。视觉系统140具有成像元件142，例如具有像素144的图像阵列(为清楚起见仅示出部分)。阵列142位于表面124之后的像平面146中。清楚起见在此没有示出在表面124和像平面146之间的光学中继。但是，任何种类的中继，包括图7所示远心中继都可用在透镜120和成像阵列142之间。

表面126’将透镜120的视场限制在由立体角Θ描述的离轴区域中。因此，当视场中心很模糊或者无需成像时，视觉系统140最为有用。视场中心对应于像平面146中的阴影148。为解释清楚起见，并未在表面124上显示实施视点C的孔径128，且放大示出像平面146。

视觉系统140对准要成像的任意物150。此处的物150是表面在物坐标(X′、Y′、Z′)的X′-Y′平面内的基底。视觉系统140在基底150之上，并且物坐标的原点和透镜120的单视点C由矢量R^c连接。矢量R^c与光轴130共直线，并且矢量R^c的向量长度是原点和视点C之间的距离。视觉系统140在空间中移动，并且其坐标(X、Y、Z)相对于物坐标(X′、Y′、Z′)旋转。存在许多对准物坐标和视觉系统坐标的约定。例如，在视觉系统坐标(X、Y、Z)和物坐标之间的旋转可以通过三个欧拉角(，θ，ψ)连续旋转来表达。

在操作过程中，视觉系统140收集光36，诸如来自于基底150上点P的光36。光36在光束152中传播并以入射角θ_i进入透镜120。透镜120将点P成像为像平面146中的成像阵列142上成像点P^I。使用成像阵列轴X^I和Y^I可以较为方便地描述像平面146，并且由矢量R^P来描述像平面146中的成像点P^I的位置。由于其单视角C，透镜120就产生成像点P^I的全景投影。这样，透镜120就能在像平面146内生成物150的全景像。

在一个修改实施例中，视觉系统140可以使用透镜120以将光36′投影到基底150上的投影点P_p上，并同时收集来自点P的光36。在该实施例中，在阵列142上点P^s处的像素154产生光36′。由矢量R^s来描述像平面146中点P^s的位置。光36′的光束156透过透镜120以发射角σ投影在基底150的点P_p上。在该实施例中采用的具有感光和发光像素的混合阵列在本领域中是公知的。当然，如果无需成像基底150，则诸如图7所示的显示单元可以用来投影光36′。

图9示出了采用具有波长相关半透明椭球体成形表面126″的透镜120将光36′投射至像162的视觉系统160。在某些点上，物162通过产生反向散射光36″进行响应，而系统160同时使用透镜120来收集反向散射光36″。

系统160在表面126″之前具有显示单元164，例如显示屏或检测器阵列。单元164的中心在光轴130上。此外，系统160具有带有光源168用于产生光36′的扫描装置166。装置166具有用于偏转或操纵光36′的扫描镜170。镜170相对于镜平面M_p倾斜扫描角γ。用于控制扫描角γ的驱动器在本领域内公知。

装置166具有光学中继172，用于光36′的成形并使其沿着光轴130通过孔径128被导入透镜120。中继172是将扫描角γ转换射入透镜120的相应允许进入角α的一类装置。例如中继172是4-f系统，它使用在轴130上具有相同或不同焦距的两个透镜使得镜170的中心与中继172的一个焦点重合而表面126″的第二焦点F₂′与4-f系统的另一焦点重合。中继172同时具有分束器176，用于偏转任何从透镜120返回到扫描装置166的光。

在操作中，系统160通过调节镜170的扫描角γ来引导光36′。扫描角γ的变化可以改变光36′出射透镜120的发射角σ。在该情形中，扫描角γ变化使得光36′首先以角度σ₁随后以角度σ₂发射。

选择半透明表面126”的通过波长使得光36’的小部分174(例如百分分数)被透射并投影到显示单元164上。更具体地，当光36′以角度σ₁发射时，就把部分174透射至点P₂′。随后就把以角度σ₂发射的部分174透射至点P₁′。光36′的部分174可用于参考、反馈、跟踪或者其它辅助功能。

物162以角度σ₂产生沿着光36′路径返回透镜120的反向散射光36″。光36″以入射角θ_i＝σ₂通过表面122进入透镜120。光36″的小部分经由表面126″离开透镜120。光36″的剩余部分由表面126″反射并由分束器174分束。当然，如果由单元164所显示的光36″部分足以用于监视反向散射光36″，则可在随后放弃光36″的剩余部分。在这些情形中，可以移除分束器174。

图10示出了单视点透镜180的另一实施例。透镜180具有面对椭球反射表面184的球形反射表面182，而表面184又面对平折射成形表面186。表面184的第一焦点F₁和表面182的中心C在透镜180的单视点上重合。表面184的第二焦点F₂在表面186上，并且在实现单视点的孔径188内。

透镜180由分别具有折射率n₁和n₂的两种材料183和185制成。材料183优选是玻璃或塑料，而材料185是玻璃或塑料，但是可以是填充在透镜180空腔处的液体或光学凝胶。在后一种情形中，由点划线表示的透镜180的部分190是由合适的材料制成的，它也可以是玻璃或塑料，形成包含材料185的包层。较佳地，n₁＝n₂。

具有复合透镜192形式的光学中继的位置邻近表面186，用于来自透镜180的光36的出耦合。在此情况下的透镜192可被设计用于将光36投影到像平面194上。相反地，透镜192可用于由像平面194射入透镜180的光36′的入耦合。

另外，可以借助由虚线指示并定义内腔198的壳层196来建立透镜180。可以使用例如光学凝胶或其他光学材料来填充腔198。实际上，包括部分190的整个透镜180可以具有空洞或壳层形式并填充诸如光学凝胶或液体的光学材料。

图11是类似于图2所示透镜30并装配有光学中继210的透镜200的横截面侧视图。透镜200具有球形折射表面202、面对椭球体反射表面204和椭球体折射成形表面206。表面204的第一焦点F₁与表面202的中心C在单视点处重合。焦点F₁′和F₂也重合。所有的焦点都在光轴208上。

透镜200与透镜30的不同之处在于其体内没有固定孔径，而是代替地在透镜214和216之间的光学中继210中提供可调孔径212。透镜214和216的焦距分别为f₁和f₂。中继210具有与透镜214的距离等于f₁的第一像平面218。第二像平面220与透镜216的距离则等于f₂。本领域普通技术人员将理解中继210是一类4-f中继。

操作期间可以调节孔径212以调整透镜200的F-数并在较宽的照明条件范围内操作。应该认识到获取低F-数而打开孔212会导致透镜200单视点性质的逐渐劣化。

根据本发明的单视点反折射透镜允许无数的其他实施例。例如，它无需一定是立体透镜，而也可以是例如模制的空心制品。在透镜的特定区域是由制造方法造成的空腔时，可以使用其折射率与透镜立体部分匹配的光学液体或凝胶对其进行填充。在又一个实施例中，椭球体反射表面和/或成形表面在透镜内是反凹的，而非具有外部轮廓。对于给定的所有实施例，本发明的范围仍由所附权利要求以及等效物来判断。

Claims (22)

1.一种在光轴上具有单视点的立体反折射透镜，包括：

a)在所述光轴上具有中心C的球形折射表面；

b)面对所述球形折射表面并且具有与所述中心C重合的第一焦点F₁的椭球体反射表面，其中所述中心C是所述单视点；以及

c)面对所述椭球体反射表面用于成形通过所述单视点的光的成形表面。

2.如权利要求1所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述成形表面是折射成形表面并且所述立体反折射透镜还包括用于实施所述单视点的孔径。

3.如权利要求2所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述孔径位于所述椭球体反射表面的第二焦点F₂处。

4.如权利要求3所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述第二焦点F₂在所述光轴上并大致位于所述折射成形表面处。

5.如权利要求3所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述第二焦点F₂在所述光轴上并在所述立体反折射透镜内部。

6.如权利要求2所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述折射成形表面是椭球体折射成形表面。

7.如权利要求6所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述椭球体折射成形表面具有与所述第二焦点F₂重合的第一焦点F₁′。

8.如权利要求7所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述椭球体折射成形表面具有与所述椭球体反射表面的圆锥常数K₁相等的圆锥常数K₂。

9.如权利要求1所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述成形表面是反射成形表面并且所述立体反折射透镜还包括用于实施所述单视点的孔径。

10.如权利要求9所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述孔径被设置于所述椭球体反射表面处。

11.如权利要求9所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述孔径被设置于所述椭球体反射表面之上。

12.如权利要求9所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述反射成形表面是第二椭球体反射成形表面。

13.如权利要求12所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述第二椭球体反射成形表面具有与所述第二焦点F₂重合的第一焦点F₁′。

14.如权利要求12所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述第二椭球体反射成形表面具有与所述椭球体反射表面的圆锥常数K₁相等的圆锥常数K₂。

15.如权利要求1所述的立体反折射透镜，其特征在于，还包括折射率为n的光学材料。

16.如权利要求1所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述成形表面是半透明成形表面。

17.如权利要求1所述的立体反折射透镜，其特征在于，所述成形表面选自平坦成形表面、椭球体成形表面和抛物面成形表面。

18.一种单视点视觉系统，包括：

a)具有光轴的立体反折射透镜；

b)在所述光轴上具有中心C的球形折射表面；

c)面对所述球形折射表面并且具有与所述中心C重合的第一焦点F₁的椭球体反射表面，其中所述中心C是所述单视点；以及

d)面对所述椭球体反射表面用于成形通过所述单视点的光的成形表面。

19.如权利要求18所述的单视点视觉系统，其特征在于，还包括用于通过所述光的光学中继。

20.如权利要求18所述的单视点视觉系统，其特征在于，所述成形表面选自反射成形表面、折射成形表面以及半透明成形表面。

21.如权利要求18所述的单视点视觉系统，其特征在于，所述成形表面选自平坦成形表面、椭球体成形表面和抛物面成形表面。

22.如权利要求18所述的单视点视觉系统，其特征在于，还包括选自扫描装置、成像元件和显示单元的元件。

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