JP2017532612A - コンパクトパノラマカメラ：光学系、装置、画像形成方法 - Google Patents

Abstract

３６０度の水平及び広い垂直視野を検出するための方法、装置及び光学系が示されている。強力な光学技術は、画像センサに高分解能伸張された画像を生成する。コンパクトパノラマカメラは、２つの主要光学部品を含む。（ｉ）特定の画像圧縮を有する３６０度のパノラマシーンの仮想の湾曲した圧縮画像を提供できる反射屈折光学素子に組み込まれた軸対称の凸面非球面反射鏡、及び（ｉｉ）ハードウェア開口を有する伸張レンズ。伸張レンズは、３つの単一レンズ素子で構成されており、仮想の湾曲した圧縮画像を受け取り、これを高光学分解能及び放物線画像伸張を有する画像センサに投影して同時に高いデジタル分解能を達成する。伸張レンズのまた他のバージョンは、単一レンズ素子だけで構成されて、高分解能伸張画像を画像センサに投影する。

Description

本出願は、２０１４年９月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／０５０，７２５号の利益及び優先権を主張し、その全体が参照として本明細書に引用される。

様々な屈折及び反射光学部品を使用する多くのパノラマ撮像カメラ及び光学系が存在する。広角の持続的な視覚画像の空間は、単一カメラシステム（例えば、魚眼及び反射屈折光学系）及び多重カメラシステムに大まかに区分することができる。単一カメラシステムは、フィールド圧縮機能（ｆｉｅｌｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の形態で視野（ｖｉｓｕａｌ ｆｉｅｌｄ）に歪みを導入することによって、通常の視野（ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）より広い視野を見ることができる。１つの方法は、カメラ周辺の広いスワズ（ｓｗａｔｈ）を取得するために、広い視野の屈折専用光学系（例えば、魚眼レンズ）を使用する。屈折専用光学系（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ−ｏｎｌｙ ｏｐｔｉｃｓ）は、視野の全ての地点で均一（又は最小）の品質を保持するときに固有の問題を提起する。これは、屈折によってのみ提供されるフィールド圧縮方法が非常に限られているためである。同時に、魚眼レンズのフィールド圧縮機能は、計算上複雑で完全に可逆的でない。レンズによるフィールド圧縮だけでも重量の点で大きな不便（ｔｏｉｌ）を有する。高屈折高密度（ｈｉｇｈ−ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｄｅｎｓｅ）メニスカスレンズの必要性は、反射屈折光学系に比べて、システムの重量を１桁上げることができることである。

反射屈折光学系は、１つ以上の凹面鏡及び／又は凸面鏡及び一般的に鏡の後方に配置される１つ以上の屈折レンズ素子を含んでもよい。これらの光学系は、超広角視野を実現するために開発されており、この方法では広範囲のフィールド圧縮機能が可能になる。

一実施形態は、回転対称軸を有する３６０度視野を検出するためのコンパクトパノラマカメラに関する。コンパクトパノラマカメラは、凸面反射鏡、ハードウェア開口及び伸張レンズを含む。凸面反射鏡は、軸対称非球面を有する。凸面反射鏡は、特定の画像圧縮を用いて３６０度のパノラマシーンの仮想の湾曲した圧縮画像を提供するように構成される。ハードウェア開口は、検出画像の将来的なマッピングのための望ましいコンパクトな物体空間視点を提供するために、凸面反射鏡から直接反射された光線以外の光線をフィルタリングするように構成される。ハードウェア開口は、凸面反射鏡の幾何学的焦点に又はその付近で凸面反射鏡と離隔して配置される。伸張レンズは、ハードウェア開口によってフィルタリングされた仮想の湾曲した圧縮画像を受け取るように配置される。伸張レンズは、仮想の湾曲した圧縮画像を高光学分解能及び放物線画像伸張を有する実像に復元して、画像センサ上に実像を投影するように構成される。画像センサは、３６０度パノラマシーンの伸張レンズによって投影された実像を受け取るように配置される。

別の実施形態は、画像センサを有するコンパクトパノラマカメラのためのシステムに関する。前記システムは、凸面反射鏡及び伸張レンズを含む。凸面反射鏡は、非放物線画像圧縮を用いてパノラマシーンの仮想の湾曲した圧縮画像を提供する軸対称非球面を有する。伸張レンズは、仮想の湾曲した圧縮画像を受け取るように配置される。伸張レンズは、仮想の湾曲した圧縮画像を高光学分解能及び放物線画像伸張を用いて実像に復元し、実像を画像センサ上に投影するように構成される。

また別の実施形態は、高分解能で画像を圧縮及び伸張する方法に関する。前記方法は、反射屈折光学素子によってシーンから光線束を受け取ることと、非放物線圧縮を用いて前記光線束を前記反射屈折光学素子によって仮想の湾曲した圧縮画像に圧縮することと、前記反射屈折光学素子によって、前記仮想の湾曲した圧縮画像をハードウェア開口に反射することと、前記反射屈折光学素子によって反射する光線以外の光線を前記ハードウェア開口によってフィルタリングすることと、伸張レンズによって、前記ハードウェア開口から前記仮想の湾曲した圧縮画像を受け取ることと、前記伸張レンズによって、前記仮想の湾曲した圧縮画像を実像に復元することと、前記伸張レンズによって、前記実像を画像センサに投影することとを含む。

また別の実施形態は、反射屈折光学系で非放物面鏡及び画像センサと共に使用するための伸張レンズに関する。伸張レンズは、非放物面鏡から非放物線圧縮形式の仮想の湾曲した圧縮画像を受け取るように配置された少なくとも１つのレンズ素子を含む。１つ以上のレンズ素子は、仮想の湾曲した圧縮画像を高光学分解能及び伸張の放物線タイプを有する実像に復元するように構成されて前記実像を画像センサに投影する。

本発明の実施形態の利点及び特徴は、添付の図面と関連して見る例示的実施形態の以下の詳細な説明からより明白になるであろう。

例示的な実施形態による、コンパクトパノラマカメラの光学系レイアウトを示す。 例示的な実施形態による、画像圧縮及び伸張方法の概略的なフローチャートを示す。 例示的な実施形態による、画像圧縮及び伸張方法の概略的なフローチャートを示す。 理想的な凸面放物面鏡基盤の反射屈折光学を示す。 図３の配置に対する像面湾曲及び歪みグラフを示す。 理想的な反射屈折光学系の理想的なレンズを有する双曲線凸面鏡を示す。 図５の配置に対する像面湾曲及び歪みグラフを示す。 例示的な実施形態による、図１の配置に対する像面湾曲及び歪みグラフを示す。 例示的な実施形態による、図１の配置に対する１２個の垂直視点に対する多色回折ＭＴＦのグラフを示す。 例示的な実施形態による、図１の配置に対する水平点に対する多色回折ＭＴＦのグラフを示す。 例示的な実施形態による、図１の配置に対する回折エンスクエアエネルギー（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｎｓｑｕａｒｅｄ ｅｎｅｒｇｙ）のグラフを示す。 例示的な実施形態による、図１の配置に対する１２個の垂直視点に対する多色ホイヘンス（ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ Ｈｕｙｇｅｎｓ）ＭＴＦのグラフを示す。 例示的な実施形態による、図１の配置に対する垂直視野を横切る周辺光量比（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）のグラフを示す。 例示的な実施形態による、図１の配置に対する１２個の垂直視点に対する画像スポットダイアグラム（ｉｍａｇｅ ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ）を示す。 例示的な実施形態による、図１の配置に対する横方向の色（ｌａｔｅｒａｌ ｃｏｌｏｒ）グラフを示す。 例示的な実施形態による、図１の配置に対する瞬間視野（ＩＶＯＦ）のグラフを示す。 一実施形態による、パノラマカメラのシステムブロック図を示す。 別の実施形態による、円筒形窓が使用される代替のミラーマウントを示す。 第３の例示的な実施形態による、中央支柱及びアクリル板を使用する代替のミラーマウントを示す。 第４の例示的な実施形態による、アクリル製の切頭円錐形窓によって保護されるアクリル板及び中央支柱が使用される代替のミラーマウントを示す。 第５の例示的な実施形態による、ハウジング、フード、スパイク及びダイアフラムを有する代替の光学系レイアウトである。 第６の例示的な実施形態による、ＥＶＦＯＶが８０度（水平から３０度上方及び５０度下方）であるコンパクトパノラマカメラを示す。 第７の例示的な実施形態による、ＥＶＦＯＶが８０度（水平から４０度上方及び４０度下方）であるコンパクトパノラマカメラを示す。 第８の例示的な実施形態による、ＥＶＦＯＶが８５度（水平から４５度上方及び４０度下方）であるコンパクトパノラマカメラを示す。 第９の例示的な実施形態による、ＥＶＦＯＶが８０度（代替の形状を有するＣＯＥ及び水平から４０度上方及び４０度下方）であるコンパクトパノラマカメラを示す。 第１０の例示的な実施形態による、ＥＶＦＯＶが８０度（中央スパイク、ハウジング、保護円錐窓、及び光トラップダイアフラムと共に水平から４０度上方及び４０度下方）であるコンパクトパノラマカメラを示す。 第１１の例示的な実施形態による、ＥＶＦＯＶが８０度（水平から１５度上方及び６５度下方）であるコンパクトパノラマカメラを示す。 第１１の例示的な実施形態による、図２６の配置に対する１２個の垂直視点に対する多色回折ＭＴＦのグラフを示す。 第１１の例示的な実施形態による、図２６の配置に対する回折エンスクエアエネルギーのグラフを示す。 第１１の例示的な実施形態による、図２６の配置に対する１２個の垂直視点に対するスポットダイアグラムの画像を示す。 第１１の例示的な実施形態による、図２６の配置に対する像面湾曲及び歪みグラフを示す。 第１２の例示的な実施形態による、ＥＶＦＯＶが８０度（水平から１５度上方及び６５度下方）であるコンパクトパノラマカメラを示す。 第１２の例示的な実施形態による、図３１の配置に対する１２個の垂直視点に対する多色回折ＭＴＦのグラフを示す。 第１２の例示的な実施形態による、図３１の配置に対する回折エンスクエアエネルギーのグラフを示す。 第１２の例示的な実施形態による、図３１の配置に対する１２個の垂直視点に対するスポットダイアグラムの画像を示す。 第１２の例示的な実施形態による、図３１の配置に対する像面湾曲及び歪みグラフを示す。 第１３の例示的な実施形態による、図３１の配置に対する１２個の垂直視点に対する多色回折ＭＴＦのグラフを示す。 第１３の例示的な実施形態による、図３１の配置に対する回折エンスクエアエネルギーのグラフを示す。 第１３の例示的な実施形態による、図３１の配置に対する１２個の垂直視点に対するスポットダイアグラムの画像を示す。 第１３の例示的な実施形態による、図３１の配置に対する像面湾曲及び歪みグラフを示す。

図面を参照すると、光学系、装置及び画像形成方法を有するコンパクトパノラマカメラが示されている。以下の明細書に提示されたシステムは、強力な光学系及び高分解能撮像を有するコンパクト（即ち、小型化された）パノラマカメラを提供するのに使用され得る。コンパクトとは、カメラの総容積が３立方インチ以下であることを意味してもよい。強力な光学系は、カメラがｆ／２．８又はそれ以上の光学的開口を有することを意味してもよい。高分解能撮像は、カメラが１５０ｃｙ／ｍｍに対して３０％以上の多色回折の変調伝達関数（ＭＴＦ）を有し得ることを意味する。様々な実施形態に従って、他の品質、寸法、パワーレベル及び分解度レベルが提供されてもよい。請求項は、特許請求の範囲で明示的に限定されない限り、特定の大きさ、パワー又は解像度に限定されない。この技術は、遠隔会議、ロボット光学のビジョン、無人車両、医療内視鏡、又は光軸に沿ってではなく、光軸に対して垂直な生体ビデオの画像を取得することを重要とする他の同様の応用分野に適合される。

コンパクトパノラマカメラ光学は、２つの主要光学部品を含む。第１の光学部品は、反射屈折光学素子（ＣＯＥ）である。一実施形態によれば、ＣＯＥは、第１屈折面と第２屈折面との間の屈折レンズに組み込まれた凸面反射鏡を含む。その結果、ＣＯＥは、３つの光学面：即ち２つの屈折（屈折光学）表面と１つの反射（反射光学）表面を有する。第２の光学部品は、伸張レンズである。一実施形態によれば、伸張レンズは、各々非球面光学面を有する少なくとも１つのレンズ素子（例えば、１つのレンズ素子、３つの単一レンズ素子（単一体）など）で構成される。この設計では、コンパクトな非球面主鏡構造、像面湾曲補正による平画像の表面フィールド及び放物線伸張への非球面画像圧縮が全て達成され得る。これら全ては、合計２つのプラスチック材料から作製され、高分解能画像を提供できる最大４つの光学素子を含む強力な光学系を有するコンパクトパノラマカメラを作ることができる。鏡の設計は、以前に設計された鏡の３分の１以上に直径を縮小することができ、カメラの体積を他のシステムの１０分の１に減少させることができる。

図１を参照すると、例示的な実施形態によるコンパクトパノラマカメラの光学系レイアウトが示されている。図１の例示的な実施形態によれば、図１に示すように、光学系１０は、２つの主な光学部品、即ち反射屈折要素１４（ＣＯＥ）及び伸張レンズ２３を含む。光学系１０は、ハードウェア開口２２、カバーガラス３０及び画像センサ３２をさらに含んでもよい。光学系１０の全ての光学素子は、対称軸である垂直光学軸１２に対して中心にあるように示されている。図１の例示的な実施形態によれば、図１に示すように、ＣＯＥ１４は、３つの光学面、即ち第１屈折面１６で示された第１光学面、凸面反射鏡１８で示された第２光学面及び第２屈折面２０で示された第３光学面を含む。一実施形態では、第１屈折面１６は、楕円形屈折面（即ち、楕円レンズ）で構成される。球面上の楕円面の利点は、平坦なバレル縁部１５であり、これは、ＣＯＥ１４を構成するのに使用される製造方法がプラスチック成形である場合、ＣＯＥ１４を成形型から比較的容易に取り外すことを可能にする。別の実施形態において、第１屈折面１６は、他の形状（例えば、球形、双曲線、放物線、又は高次非球面）である。一実施形態では、凸面反射鏡１８は、凸面双曲線面を有する。別の実施形態において、凸面反射鏡１８は、他の形状（例えば、高次非球面形状、球形、放物面形状など）を有する。一実施形態では、第２屈折面２０は、球形屈折面（即ち、球面レンズ）である。別の実施形態において、第２屈折面２０は、他の形状（例えば、球形、双曲線、放物線など）を有する。

一実施形態によれば、ＣＯＥ１４は、最大３２．４ｍｍの直径及びマイナス５．０ｍｍの焦点の長さを有する。従って、光学系１０は、凸面反射鏡１８の後方に配置される（即ち、負の焦点距離で表示される）物体空間地点の仮想の屈曲及び圧縮画像１９を生成してもよい。別の実施形態において、ＣＯＥ１４の直径及び焦点距離は、他の大きさ及び長さ（例えば、３０ｍｍの直径及び３．５ｍｍの焦点距離）である。平坦なバレル縁部１５のようなＣＯＥ１４の他の表面は、ＣＯＥ１４をカメラハウジング（図示せず）及び／又は伸張レンズ２３内に装着することを容易にするために使用され得る機械的表面である。

図１の例示的な実施形態によれば、伸張レンズ２３は、３つのレンズ素子、即ち、第１負レンズ素子２４で示された第１レンズ素子、正レンズ素子２６で示された第２レンズ素子、及び第２負レンズ素子２８で示された第３レンズ素子を含む。別の実施形態において、伸張レンズ２３は、少なくとも１つのレンズ素子（例えば、１つ、２つなど）を含む。一実施形態によれば、第１負レンズ素子２４は、少なくとも１つの高次非球面を有する。第１負レンズ素子２４の高次非球面は、負の光学的パワーを有し、光線束を拡張させ、フィールド収差を部分的に補正するように構成してもよい。一実施形態では、第１負レンズ素子２４の焦点距離は、マイナス５．６ｍｍである。別の実施形態において、第１負レンズ素子２４の焦点距離は、より大きい、より小さい、及び正のうちの１つ以上の特徴を有する。一実施形態によれば、正レンズ素子２６は、相対的に強い正の光学的パワーを有する高次非球面を有する。正レンズ素子２６の高次非球面は、光線束を収束させてフィールド収差を部分的に補正するように構成してもよい。一実施形態では、正レンズ素子２６の焦点距離は、３．９ｍｍである。別の実施形態において、正レンズ素子２６の焦点距離は、より大きい、より小さい、又は負のうちの少なくとも１つの特徴を有する。一実施形態によれば、第２負レンズ素子２８は、高次非球面を有する。第２負レンズ素子２８が画像センサ３２に非常に近接していることにより、第２負レンズ素子２８の非球面は、第１負レンズ素子２４及び正レンズ素子２６の非球面と協働して画像圧縮、像面湾曲、及び残存フィールド収差を効果的に補正することができる。一実施形態では、第２負レンズ素子２８は、マイナス３．２ｍｍの焦点距離を有する負の光学的パワーを有するように構成される。別の実施形態において、焦点距離は、より大きい、より小さい、又は負のうちの少なくとも１つの特徴を有する。

伸張レンズ２３のレンズ素子は、プラスチック成形技術を使用するプラスチック材料から効果的な費用で製造され得る。第１負レンズ素子２４及び第２負レンズ素子２８は、ポリスチレン、ポリカーボネート、及びレキソライト（Ｒｅｘｏｌｉｔｅ）のうち少なくとも１つの高分散プラスチック材料から製造されてもよい。例示的な実施形態によれば、高分散プラスチック材料のアッベ数は、約３０である。別の実施形態において、高分散プラスチック材料のアッベ数は、光学系１０の適用に基づいて変化する（例えば、３０より大きい又は小さい）。正レンズ素子２６及びＣＯＥ１４は、アクリル、ＰＭＭＡ、及びゼオネックス（Ｚｅｏｎｅｘ）のうち少なくとも１つの低分散光学プラスチック材料で製造されてもよい。一実施形態によれば、低分散光学プラスチック材料のアッベ数は、６０よりわずかに小さい。別の実施形態において、アッベ数は、光学系１０の適用に基づいて変化する（例えば、６０より大きい又は小さい）。色収差（縦方向及び横方向の色）は、青色ライン４５５ｎｍから赤色ライン６４４ｎｍまでの波長範囲のこれらのタイプの光学材料を使用して補正されてもよい。この特定の実施形態（図１４参照）で実行され得る広角の光学機器（ｗｉｄｅ−ａｎｇｌｅ ｏｐｔｉｃｓ）から横方向の色を除去することが重要である。色補正をさらに改善するために、第１負レンズ素子２４の第１表面は、約６８０ナノメートル（ｎｍ）又はそれ以上の波長で始まる光を遮断する薄膜赤外線（ＩＲ）カットフィルタでコーティングされてもよい。ＩＲフィルタコーティングのまた他の利点は、システム１０に必要な光学素子の数を減少させることである。ＩＲコーティングがなければ、光学系１０は、画像センサ３２の前面に配置される追加的なフィルタを要求してもよい。別の実施形態において、伸張レンズ２３の１つ以上のレンズ素子及び／又はＣＯＥ１４の１つ以上の光学面は、プラスチック材料以外の物質（例えば、ガラス）で製造される。

一実施形態によれば、伸張レンズ２３の有効焦点距離は、６．２ｍｍである。別の実施形態において、焦点距離は、互いに異なる（即ち、異なる反射屈折光学素子によって投影される仮想の湾曲した圧縮画像を受け取るように互いに異なるように構成される。）（例えば、ＣＯＥ１４の構造に基づいて、より長く、より短く）。別の実施形態において、伸張レンズ２３は、合計１つ以上の非球面を有する１つ以上のレンズ素子で構成される（例えば、１つのレンズ、２つのレンズ、４つのレンズなど）。

図１に示すように、ハードウェア開口２２は、ＣＯＥ１４の後方及び伸張レンズ２３の前方に配置される（即ち、ＣＯＥ１４と伸張レンズ２３との間）。一実施形態において、ハードウェア開口２２は、凸面反射鏡１８の幾何学的焦点において又はその付近に位置するようにＣＯＥ１４から離隔して配置される。例示的な実施形態によれば、ハードウェア開口２２は、光学画像形成を補助するように構成され、光学系１０のための入射瞳及び射出瞳を特定し、物点からの光線束３４をフィルタリングする（例えば、凸面反射鏡１８によって反射する光線以外の光線をフィルタリングする）。例示的な実施形態によれば、カバーガラス３０は、実際の光学画像（例えば、高分解能伸張画像など）が形成される画像センサ３２の表面を保護するように構成される。一実施形態では、画像センサ３２は、平坦な（即ち、２次元（２Ｄ））検知面である。別の実施形態において、画像センサ３２は、湾曲している（即ち３次元（３Ｄ））（図３１参照）。高分解能伸張画像が画像センサ３２で形成される工程は、本明細書でより十分に説明される。

一実施形態によれば、光学系１０の全長は、６０ｍｍである。別の実施形態において、光学系１０の全長は、ＣＯＥ１４及び／又は伸張レンズ２３の構造及び寸法品質の選択に基づいて増加又は減少する。例示的な実施形態による光学系１０の有効垂直視野は、７０度（水平から１５度上方、５５度下方）である。別の実施形態において、ＥＶＦＯＶは、水平から上下方向への角度の様々な可能性と共に７０度及び９０度の間の範囲を有する（例えば、８０度のＥＶＦＯＶ：水平から３０度上方及び５０度下方、８０度のＥＶＦＯＶ：水平から４０度上方及び４０度下方、８５度のＥＶＦＯＶ：水平から４５度上方及び４０度下方）。また別の実施形態において、光学系１０のＥＶＦＯＶは、７０度未満である。光学系１０の水平視野は、垂直光学軸１２に対する水平視野は、垂直光学軸１２に対する光学系１０の軸対称の結果として最大３６０度であってもよい。

図２ａ及び図２ｂを参照すると、例示的な実施形態による、高分解能の画像を圧縮及び伸張する方法２００が示されている。一実施形態では、方法２００は、図１の光学系１０で実現してもよい。従って、方法２００は、図１と関連して説明されてもよい。

工程２０２では、関心のあるシーンが選択される。例えば、光学系１０を有するコンパクトパノラマカメラは、ビデオ会議の目的で会議室における会議の参席者及び／又は会議の議員に向けてもよく、ロボット競技おけるコース探索を補助するためにロボット装置の目として使用してもよく、又は強力な光学系及び高分解能撮像を有するコンパクトパノラマカメラを必要とする及び／又は利益を受ける可能性のあるその他の実施に使用してもよい。工程２０４において、凸面反射鏡１８（即ち、高次の凸面非球面鏡）のような一次像コレクタは、シーンから光線を受け入れる（即ち受け取る）。例えば、前述したシーンの物点からの光線束３４は、第１屈折面１６を介してＣＯＥ１４に進入する。光線束３４は、第１屈折面１６を通過するときに、凸面反射鏡１８に向かって屈折する。光線束３４は、凸面反射鏡１８の高次の非球面鏡表面（例えば、双曲線鏡面など）から反射して第２屈折面２０を介してＣＯＥ１４を離れる。

工程２０６において、特定の圧縮を用いた仮想の湾曲した圧縮画像１９が生成される。例えば、光線束３４が凸面反射鏡１８から反射すると、シーンの物体空間地点の仮想の湾曲した圧縮画像１９は、凸面反射鏡１８の後に形成される（例えば、上述したような負の焦点距離など）。仮想の湾曲した圧縮画像１９は、凸面反射鏡１８（例えば、双曲線鏡など）の高次の凸面非球面の非球面圧縮を取る。例示的な実施形態によれば、凸面反射鏡１８は、双曲線構造を有するため、仮想の湾曲した圧縮画像１９は、凸面反射鏡１８の鏡面の双曲線構造に特定された双曲線圧縮である。仮想の湾曲した圧縮画像１９は、湾曲した表面（例えば、双曲線、放物線など）に沿って形成される。平坦な表面上に画像を生成するための像面湾曲補正又は除去は、画像センサ３２上に高分解能の鮮明な光学画像を得るのに実質的に重要な作業である。別の実施形態において、仮想の湾曲した圧縮画像１９の圧縮は、凸面反射鏡１８の表面の形状によって互いに異なる（例えば、球形、放物線、高次非球面など）。例えば、凸面反射鏡１８の表面が放物線構造である場合、仮想の湾曲した圧縮画像１９は、放物線圧縮を有することができ、その表面曲率は、凸面反射鏡１８の表面曲率の２倍以上であってもよい。

工程２０８において、伸張レンズ２３は、上述したように第２屈折面２０を介してＣＯＥ１４を離れた光線束３４を受け取る。仮想の湾曲した圧縮画像１９は、ハードウェア開口２２を介して投影され、ここで、伸張レンズ２３でフィルタリングされて中継される。仮想の湾曲した圧縮画像１９は、伸張レンズ２３に対する対象（例えば、シーン）の役割をする。具体的には、構造化された非球面レンズ素子（２４，２６及び２８）は、高い光学分解能及び所望の伸張を用いて画像センサ３２と上述した画像を鮮明に投影する（工程２１０）。例示的な実施形態によれば、伸張レンズ２３は、双曲線圧縮を有する仮想の湾曲した圧縮画像１９を受け取り、画像センサ３２で高分解能及び放物線伸張によって画像を投影する。別の実施形態において、伸張レンズ２３は、互いに異なるように形成された非球面圧縮された画像（例えば、双曲線など）を受け取り、画像センサ３２上に高分解能及び所望の伸張（例えば、放物線、双曲線など）によって画像を投影する。例示的な実施形態によれば、光速バンドルを圧縮及び伸張するための方法は、デジタル画像処理（即ち、機械的になど）を伴わずに光学系１０の光学手段によって実行される。別の実施形態では、デジタル画像処理を使用してもよい。

図３を参照すると、理想的な反射屈折光学系１００の従来の光学が凸面放物面鏡で構成された凸面反射鏡１８と共に示されている。理想的な反射屈折光学系１００はまた、理想的なテレセントリックレンズ２７のカメラレンズ２９及び湾曲画像センサ３３を含む。テレセントリックレンズ２７は、純粋な放物面鏡を使用する場合に必要とされる。テレセントリックレンズ２７及びカメラレンズ２９は、共に作動し、物体空間地点から光線束３４の実際の湾曲した画像を生成する。テレセントリックレンズ２７及びカメラレンズ２９は、放物線凸面反射鏡１８によって生成された仮想の湾曲した圧縮画像１９（図３に図示せず）をある倍率で画像センサ３３に投影することによってこれを達成する。この倍率は、テレセントリックレンズ２７及びカメラレンズ２９の焦点距離の関係に等しい。虚像の直径は、放物線の凸面反射鏡１８の直径に等しい。一実施形態では、テレセントリックレンズ２７の焦点距離がカメラレンズ２９の焦点距離より大きいため、倍率は１．０より小さい。倍率が小さいほど、湾曲画像センサ３３上の画像の直径は、虚像の直径に比べて小さくなる。カメラレンズ２９上の低い倍率は、視野平坦化のためのより簡単なレンズ設計を可能にする。これは、湾曲画像センサ３３の直径に対する凸面反射鏡１８の直径の比率に対する高い数値をもたらす。倍率が４．５未満であれば、不可能ではないにしても高分解能の鮮明な平坦な画像面を得ることは非常に困難である。

適切に設計されたとき、図３のような反射屈折光学系は、単一センサ広角持続画像の最良の方法を提供する。この方法では、広範囲なフィールド圧縮機能が可能になる。キャプチャーで導入されたフィールド圧縮は、結果として得られる画像内で計算的に完全に逆転されてもよい。これらのシステムにおける主要なフィールド圧縮剤としての鏡の使用は、次の屈折要素が顕著にさらに小さい大きさを有するようにする（即ち、ある場合には１０倍に近い大きさを生じる）。また、テレセントリックレンズ２７がミラーに置換えられた場合にのみ理想的な反射屈折光学系１００が適用される。この場合、単一ミラー光学１００は、デュアルミラー光学で変換されてもよい。重量及び材料費用のうち少なくとも１つが考慮される場合、明確な利点になり得る。

図４を参照すると、図３に示されたシステムのための放物面鏡で構成された凸面反射鏡１８、理想的なテレセントリックレンズ２７及び理想的なカメラレンズ２９を有するｆシータ（ｆ−ｔｈｅｔａ）歪み／画像圧縮４０２のグラフ及びパノラマ像面湾曲４００のグラフが示されている。理想的な湾曲画像センサ３３と対照的に、画像センサ３２が同じ平坦な画像センサと共に使用する場合、像面湾曲は、パノラマ像面湾曲４００のグラフに示された平坦なフィールドを達成するために補正する必要のある重要な問題になり得る。このシステムは、ミラーの中心からエッジまで２０．７％の伸張の利点がある。別の実施形態において、放物面鏡システムは、２３％から最大２５％の範囲のさらに高い伸張を提供することができる。これは、ミラーのエッジが多くの画素をカバーし、従って結果として得られる画像の高いデジタル分解能をもたらすため望ましいことがある。

一次放物面鏡を使用して、所望のフィールド圧縮特性を取得する像面湾曲補正を行うシステムを実現する作業は、長年にわたって行われてきた。しかしながら、分解能が非常に高くて同時に小型でコンパクトなシステムを提供することには、依然として困難がある。市場は、小型のサイズ及び高分解能の二分化された特徴を統合したシステムを要求している。非点収差、像面湾曲、及びコマ収差（ｃｏｍａ）の軽いバージョンを含んで３次及び高次の収差を除去するための洗練された方法を使用するシステムを実現してもよい。これは、共焦点系を構築して瞳内の非点収差及び球面収差を除去し、ミラー及びレンズ素子の２次以上の非球面光学面を使用してコマ収差及び高次フィールド収差を抑制するような技術を使用することによって達成してもよい。しかし、システムの全体的な線形サイズがセンサの線形サイズに近づくにつれて、より高次の収差がより大きい役割を果たし始め、特定のスケール比よりも下になり、これらの収差は、未補正のままでセンサ画素によって検出可能で、画像を使用不可能にし、システムとセンササイズの間の比率に下限を設定する。双曲線及び他の主要なミラー形状の使用は、上記の課題に対処するために使用されてもよい。この考えは、本明細書でより十分に議論され、双曲線主鏡を用いるフィールド圧縮の例示が図５〜図６に示されている。

図５を参照すると、理想的な反射屈折光学系１００の理想的なカメラレンズ２９を有する双曲線凸面反射鏡１８が示されている。理想的なカメラレンズ２９は、双曲線構造の凸面反射鏡１８によって生成された仮想の湾曲した圧縮画像１９（図５に図示せず）をある程度縮小して湾曲画像センサ３３に投影することによって物体空間地点の光線束３４の実際の湾曲及び圧縮された画像を生成する。これは、伸張レンズ２３を理想的なカメラレンズ２９に置換えた図１に示した光学系と同一のタイプである。この例示的な実施形態は、伸張レンズ２３と理想的なカメラレンズ２９との間の画像伸張能力を比較するために示されている。

図６を参照すると、理想的なカメラレンズ２９（図５に示したレイアウト）と共に双曲線鏡で構成された凸面反射鏡１８を有するｆシータ歪み／画像圧縮６０２及びパノラマ像面湾曲６００のグラフを示している。理想的なレンズ２９と共にこの鏡面形状を使用する場合、魚眼レンズに対する視野圧縮の利点は、所望の性能特性を満たさない。従って、双曲線鏡基盤の光学系（図１及び図５）を有する放物面鏡基盤の光学系の特性を達成するために、理想的なレンズ２９、図３及び図５参照）は、本明細書で十分に説明される図１の本発明の伸張レンズ２３に置換えることができる。

図７を参照すると、図１の光学系１０のためのパノラマ像面湾曲７００のグラフ及びｆシータ歪み／画像圧縮７０２が示されている。コンパクトで高分解能の広角反射屈折光学系への期待を成就するために、コンパクト非球面主鏡、平坦なフィールド（即ち、低い像面湾曲）及び放物線フィールド圧縮のような特徴が好ましい。光学系１０は、図６の結果を生成するために使用される図５と同様のコンパクトで非球面の非放物線主鏡を使用する（即ち、双曲線構造の凸面反射鏡）。しかし、図５の理想的な湾曲画像センサ３３及び理想的なレンズ２９は、図１の平坦な画像センサ３２及び伸張レンズ２３に置換えることできる。新しい伸張レンズ２３は（放物面鏡を使用せずに）結果として得られた画像に近似の放物線フィールド圧縮を達成するためにフィールド圧縮機能を修正する。

ミラーの中心から縁への２０．５％伸張のフィールド圧縮特性は、図４に示される理想的な放物面鏡基盤システムのフィールド圧縮特性（２０．７％伸張）に比較的近い。結果として、小型でコンパクトなサイズの考察を前提としない前述した放物面鏡基盤システムの動作を模倣する高分解能システムをもたらす。この目的を達成するために主非球面鏡である凸面反射鏡１８によって生成された仮想の屈曲及び圧縮画像１９の形状を分析し、像面湾曲補正器及び伸張プロファイルを生成して伸張レンズ２３を設計してもよい。レンズは、像面湾曲補正、非球面から放物線への圧縮変換、低い光学Ｆストップ（Ｆ−ｓｔｏｐ）、及びコンパクトフォームファクター（ｃｏｍｐａｃｔ ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）を提供するように構成された形状を含んでもよい。ＣＯＥ１４及びレンズ素子２４，２６，２８の特定光学パラメータ、それらの配置、及び材料の組み合わせは、光学系１０が画像空間内でＦストップ２．６を有する可視光線スペクトルに対して平坦な画像センサ３２上で高い光学分解能を達成することを可能にする。別の実施形態において、上記の特性は変化して、Ｆストップ数（例えば、２．７，２．８，２．９など）をもたらしてもよい。様々な実施形態において、画像直径に対する凸面反射鏡の直径の比率は、約６．５：１から２．３：１の範囲であってもよい。

図８を参照すると、例示的な実施形態によって回折限界ＭＴＦ（黒色曲線）と比較してコンパクトパノラマカメラ光学系１０の１２個の垂直視点に対する多色回折の変調伝達関数（ＭＴＦ）のグラフが示されている。グラフから分かるようにパノラマ撮像システムは、垂直光学軸１２からカウントアップして３５度から１０５度までの垂直視野を横切る５４．９％から６１．０％の範囲の画像コントラスト（ＭＴＦ）において、ミリメートル当たり１５０組の分解能を提供する。

図９を参照すると、例示的な実施形態によって示された多色光の回折限界ＭＴＦ（黒い曲線）と比較したコンパクトパノラマカメラの光学系１０の水平ポイントに対する変調伝達関数（ＭＴＦ）の接線グラフ及びサジタルグラフが示されている。グラフからわかるように、パノラマ撮像システムは、６１．０％コントラスト（ＭＴＦ）と共にミリメートル当たり１５０本のライン対の分解能を提供する。３０％の最小画像コントラストが受け入れられれば、水平に対する実際の限界分解能が非常に高く、特に３００ｃｙ／ｍｍである。

図１０を参照すると、コンパクトパノラマカメラシステム１０の１２個の垂直視点に対する回折エンスクエアエネルギー（ＤＥＥ）濃度のグラフが例示的な実施形態によって回転制限されたＤＥＥ（上部曲線）と比較して示されている。ＤＥＥグラフは、フィールドビューを横切る単一の物点からの画像平面上の正方形領域（２ａ×２ａ）によって収集された全光エネルギーの相対的な量を示す。ここで「ａ」は、グラフの水平軸に沿って表示された四角形の中心からのミクロン単位の距離である。垂直軸は、エンスクエアエネルギーの分率を示す。物点からの画像平明上の光エネルギーの分布は、その点分散関数（ＰＳＦ）によって記述される。ＤＥＥ濃度は、正方形の中心点が最大ＰＳＦ点（中心点）と一致するときの正方形領域（２ａ×２ａ）を横切るＰＳＦ積分である。光学及びデジタル分解能に適合させるために、画素領域に２／３又は約７０％のＤＥＥ濃度を有することが好ましい。

図１１を参照すると、コンパクトパノラマカメラシステム１０の１２個の垂直視点に対する多色ホイヘンスＭＴＦのグラフが例示的な実施形態によって示されている。ここでの画像コントラストの範囲は、図８のＭＴＦデータよりわずかに高く、これは、高速フーリエ変換を用いて近似して算出されてもよい。

図１２を参照すると、例示的な実施形態によってコンパクトパノラマカメラ光学系１０の垂直視野を横切る周辺光量比のグラフが示されている。このグラフは、コンパクトパノラマカメラの垂直視野を横切る画像センサ３２上の光分布の均一性を示す。照度変動は、視野全体で１８％未満である。

図１３を参照すると、一実施形態による図１の配列に対する１２個の垂直視点に対するスポットダイアグラムが示されている。図１は、例示的な実施形態に従って示されている。図に示すように、垂直角度が１０５度まで増加すると、画像センサ３２上の歪は非常に小さい。

図１４は、０．４５５ミクロン〜０．６４４ミクロンまでの波長範囲に対する横方向の色グラフ及び主色波長０．５４６ミクロンからの垂直な視野全体に対する偏差を示す。見られる偏差は、２ミクロン未満であり、エアリー限界（Ａｉｒｙ ｌｉｍｉｔｓ）を越えない。

図１５を参照すると、画素当たりのミリラジアンの垂直１５５０及び水平１５００方向の瞬間視野のグラフが示されている。１．５ミクロンの画素ピッチと共にデジタルセンサを使用することを提案し、両方向の全視野に対するコンパクトパノラマカメラのデジタル分解能を特徴づける。例えば、光学軸から垂直角度が３５度から１０５度まで変化すれば、垂直分解能は、１．４ｍｒａｄ／ｐｉｘｅｌから０．８ｍｒａｄ／ｐｉｘｅｌまで変化する。数値が小さいほど分解能が高まる。

図１６を参照すると、一実施形態によるパノラマカメラ１１０のシステムブロック図が示されている。パノラマカメラ１１０は、複数のサブアセンブリを含む。第１サブアセンブリは、光学系１０である（図１に示す）。第２サブアセンブリは、デジタル画像センサ１２２のセンサ平面１２２ｂが光学系１０の画像センサ３２と一致する方式で光学系１０に対して装着されたデジタル画像センサ１２２を含む。光学系１０は、デジタル画像センサ１２２に画像１２５を生成する。一部の実施形態において、画像は円形である。例えば、一部の実施形態において、光学系１０によって決定されたように、環状の円形画像１２５は、画像の内部円１２５ａと画像の外部円１２５ｂとの間に形成される。

第３サブシステムは、デジタル画像センサ１２２によってキャプチャーされた画像の電子表現を受け取るように構成されたコントローラ１０５を含む。一部の実施形態において、キャプチャーされた画像を処理するための画像処理ソフトウェア１０５が提供される。焦点画像のデジタル表現がレンダリングされ、エンドユーザに表示される。例えば、レンダリングされた焦点画像は、ユーザインターフェース１０８において、ビデオディスプレイ１０７上に表示することができる。ユーザインターフェース１０８は、画像１２５に自動的に焦点を合わせる機能と手動で焦点を合わせる機能のうち少なくとも１つの機能のために画像処理ソフトウェア１０６を操作することを可能にするユーザ制御を含むことができる。好ましい実施形態において、仮想の湾曲した圧縮画像１９の圧縮及び伸張は、デジタル画像処理では実行されない。

図１７は、第２の実施形態に係る代替の光学系レイアウトを示す。第２の実施形態は、第１の実施形態の変形であり、凸面反射鏡１８が円筒形窓３９を使用して装着されている。円筒形窓３９の内部は、凸面反射鏡１８、スパイク３５、バッフル３６である。凸面反射鏡１８は、２０．１ｍｍの直径を有する双曲線構造であってもよく、画像センサ３２は、４．６ｍｍの直径を有してもよい。従って、凸面反射鏡及び画像センサの比率は、４．４：１である。スパイク３５は、垂直光学軸１２に沿って配置され、バッフル３６の内部に少なくとも部分的に延在してもよい。スパイク３５は、全体的な光学の改善された安定性を提供し、カメラに反射される画像の望ましくないグレアを低減する。バッフル３６は、機械的システムであり、その機能は、コンパクトパノラマカメラの視野（ＦＯＶ）外部の光源から来る光を遮蔽することであってもよい。

図１８は、３の実施形態に係る代替の光学系レイアウトを示す。第３の実施形態は、凸面反射鏡１８が中央支柱３７、アクリル板３８及びハウジング４１を使用して装着されるという点で第１の実施形態の変形である。凸面反射鏡１８は、２１．２ｍｍの直径を有し、画像センサ３２は、４．５ｍｍの直径を有する。従って、凸面反射鏡及び画像センサの比率は、４．７：１である。中央支柱３７は、凸面反射鏡１８に対する支持体として作用する。アクリル板３８は、中央支柱３７を支持するとともに、光がハウジング４１内を通過するための明確な通路を提供する。

図１９は、第４の実施形態に係る代替の光学系レイアウトを示す。第４の実施形態は、凸面反射鏡１８が中央支柱３７、アクリル板３８、アクリルコーン窓４０、ハウジング４０、及び光トラップダイアフラム４２を使用して装着される点で第１の実施形態の変形である。凸面反射鏡１８は、２１．２ｍｍの直径を有し、画像センサ３２は、４．５ｍｍの直径を有する。従って、凸面反射鏡及び画像センサの比率は、４．７：１である。中央支柱３７は、凸面反射鏡１８対する支持体として作用する。アクリル板３８は、中央支柱３７を支持するとともに、光がハウジング４１内を通過するための明確な通路を提供する。アクリルコーン窓４０は、凸面反射鏡１８の装着を支持するだけでなく、光が通過するときに、屈折面として作用する。ハウジング４１は、光トラップダイアフラム４２を収容するのに使用される。光トラップダイアフラム４２は、ハードウェア開口２２を通過する光を除いた光の通過を遮るテーパした環状ダイアフラムである（即ち、円錐形カットアウトを含む）。

図２０は、第５の実施形態に係る代替の光学系レイアウトを示す。第５の実施形態は、光学系が、スパイク３５、ハウジング４０、光トラップダイアフラム４２及びフード４３を含む点から見て、第１の実施形態の変形である。凸面反射鏡１８は、２４．２ｍｍの直径を有し、画像センサ３２は、４．５ｍｍの直径を有する。従って、凸面反射鏡及び画像センサの比率は、５．４：１である。スパイク３５は、垂直光学軸１２に沿って配置されてもよく、少なくとも部分的にハウジング４１の内部に延設されてもよい。スパイク３５は、全体的な光学の改善された安定性を提供し、カメラに反射される画像の望ましくないグレアを低減する。ハウジング４１は、光トラップダイアフラム４２を収容するのに使用される。光トラップダイアフラム４２は、ハードウェア開口２２を通過する光を除いた光の通過を遮るテーパした環状ダイアフラムである（即ち、円錐形カットアウトを含む）。フード４３は、光学系を損傷から保護するだけでなく、レンズフレアを低減する目的を果たす。

図２１は、第６の実施形態に係る代替のコンパクトパノラマカメラを示す。第６の実施形態は、実施形態が８０度のＥＶＦＯＶ（水平から３０度上方、５０度下方）を有する光学系を含むという点で、第１の実施形態の変形である。凸面反射鏡１８は、２４．２ｍｍの直径を有し、画像センサ３２は、４．６ｍｍの直径を有する。従って、画像センサに対する凸面反射鏡の比率は、５．３：１である。例示的な実施形態によれば、図２１の光学系の全長は、５１．２ｍｍである。別の実施形態において、図２１の光学系の全体の長さは、５１．２ｍｍより大きい又は小さい。

図２２は、７の実施形態に係る代替のコンパクトパノラマカメラを示す。第７の実施形態は、実施形態が８０度のＥＶＦＯＶ（水平から４０度上方、４０度下方）を有する光学系を含むという点で第１の実施形態の変形である。凸面反射鏡１８は、２６．４ｍｍの直径を有し、画像センサ３２は、４．６ｍｍの直径を有する。従って、画像センサに対する凸面反射鏡の比率は、５．７：１である。例示的な実施形態によれば、図２２の光学系の全長は、４９．１ｍｍである。別の実施形態において、図２２の光学系の全体の長さは、４９．１ｍｍより大きい又は小さい。

図２３は、８の実施形態に係る代替のコンパクトパノラマカメラを示す。第８の実施形態は、実施形態が８５度のＥＶＦＯＶ（水平から４５度上方、４０度下方）を有する光学系を含むという点で第１の実施形態の変形である。凸面反射鏡１８は、２５．３ｍｍの直径を有し、画像センサ３２は、４．６ｍｍの直径を有する。従って、画像センサに対する凸面反射鏡の比率は、５．５：１である。例示的な実施形態によれば、図２３の光学系の全長は、４７．２ｍｍである。別の実施形態において、図２３の光学系の全体の長さは、４７．２ｍｍより大きい又は小さい。

図２４は、第９の実施形態に係る代替のコンパクトパノラマカメラを示す。第９の実施形態は、８０度のＥＶＦＯＶ（水平から４０度上方、４０度下方）、代替の形状を有するＣＯＥ１４、スパイク３５、ハウジング４０及び光トラップダイアフラム４２を含むという点で第１の実施形態の変形である。代替の形状を有するＣＯＥ１４は、３つの光学面を含む。凸面反射鏡１８は、任意の非球面（例えば、双曲線、放物線など）であってもよく、２つの球面屈折面は凸面反射鏡１８に接続される。別の実施形態において、２つの屈折面は、様々な形状（例えば、リニア、放物線、双曲線、非球面など）であってもよい。スパイク３５は、垂直光学軸１２に沿って配置され、少なくとも部分的にハウジング４１の内部に延設されてもよい。スパイク３５は、全体的な光学の改善された安定性を提供し、カメラに反射される画像の望ましくないグレアを低減する。ハウジング４１は、光トラップダイアフラム４２を収容するのに使用される。光トラップダイアフラム４２は、ハードウェア開口２２を通過する光を除いた光の通過を遮るテーパした環状ダイアフラムである（即ち、円錐形カットアウトを含む）。凸面反射鏡１８は、２７．８ｍｍの直径を有し、画像センサ３２は、４．５ｍｍの直径を有する。従って、画像センサに対する凸面反射鏡の比率は、６．２：１である。

図２５は、１０の実施形態に係る代替のコンパクトパノラマカメラを示す。第１０の実施形態は、８０度のＥＶＦＯＶ（水平から４０度上方、４０度下方）、スパイク３５、アクリルコーン窓４０、ハウジング４０及び光トラップダイアフラム４２を含むという点で第１の実施形態の変形である。スパイク３５は、垂直光学軸１２に沿って配置され、少なくとも部分的にハウジング４１の内部に延設されてもよい。スパイク３５は、全体的な光学の改善された安定性を提供し、カメラに反射される画像の望ましくないグレアを低減する。アクリルコーン窓４０は、凸面反射鏡１８の装着を支持するだけでなく、光が通過するときに、屈折面で作動する。ハウジング４１は、光トラップダイアフラム４２を収容するのに使用される。光トラップダイアフラム４２は、ハードウェア開口２２を通過する光を除いた光の通過を遮るテーパした環状ダイアフラムである（即ち、円錐形カットアウトを含む）。凸面反射鏡１８は、２７．０ｍｍの直径を有し、画像センサ３２は、４．５ｍｍの直径を有する。従って、画像センサに対する凸面反射鏡の比率は、６：１である。

図２６を参照すると、第１１の実施形態に係るコンパクトパノラマカメラの光学系レイアウトが示されている。対称軸、即ち、垂直光学軸１２を有する光学系１０は、２つの主な光学部品、即ち凸面反射鏡１８（例えば、双曲線鏡）及び単一レンズ素子で構成された伸張レンズ２３を含む。光学系１０は、ハードウェア開口及び湾曲画像センサ３３（即ち、３Ｄ）をさらに含む。別の実施形態において、画像センサは、画像センサ３２のような平坦な画像センサであってもよい。双曲線凸面反射鏡１８の直径は２５．６ｍｍであり、円錐定数はマイナス１．４であり、曲率半径は第１の実施形態と同じ９．３４６ｍｍである（図１参照）。伸張レンズ２３の単一レンズ素子は、それぞれ異なる非球面形状を有する第１表面４６及び第２表面４７を含む。共に作動しながら、第１表面４６及び第２表面４７は、双曲線鏡、凸面反射鏡１８によって生成された虚像圧縮を伸張するだけでなく、像面湾曲を除く全てのフィールド収差を効果的に補正してもよい。その結果、回折ＭＴＦ（図２７）、回折エンスクエアエネルギー濃度（図２８）及びスポットダイアグラム（図２９）によって確認される開口Ｆ／４を使用することにより、光学系１０は、回折限界された画質を有する。単一レンズ素子の伸張能力は、Ｆシータ歪みグラフ３００２（図３０）によって確認され、これは、１０５度の視野エッジに対して３０．８％の伸張を示す。伸張レンズ２３の第１表面４６は、正の光学的パワー及び８．８ｍｍの焦点距離を有してもよい。この理由から、それ自体の像面湾曲を補正し、凸面反射鏡１８によって導入された正の像面湾曲を補正することは不可能である。第２表面４７は、負の光学的パワーを有し、光学系１０の像面湾曲を補正する。第２表面４７は、またその光学材料がレンズ素子の第１表面４６より高い分散を有する場合、色収差を補正してもよい。光学系１０（図２６）は単色であってもよく、５４６ナノメートルの作動波長を有してもよい。

しかしながら、その光学面の1つを回折させることによって、図３１の伸張レンズ２３のように伸張レンズとして作動する単一レンズ素子のみを有する色収差を補正することが可能である。これは、第１２の実施形態（図３１参照）において、第１表面を回折面にすることによって実現される。光学系１０は、多色回折ＭＴＦ（図３２参照）、回折エンスクエアエネルギー濃度（図３３参照）及びスポットダイアグラム（図３４）によって確認される開口Ｆ／４に対する高い光学分解能を有する。画像圧縮の放物線型態は、ＦＯＶエッジに対して２６．９％伸張を有するＦシータ歪みグラフ３５０２（図３５参照）によって確認される。光学系１０（図３１）は、８０度の有効垂直視野（ＥＶＦＯＶ）を有する：水平から１５度上方及び６５度下方。双曲線凸面鏡、凸面反射鏡１８は、高次非球面を有し、その直径は２４．５ｍｍであり、頂点における円錐定数及び曲率半径は第１１の実施形態と同じである（図２６参照）。

図３１の伸張レンズ２３の第１表面４６及び第２表面４７は、他の非球面形状を有する。第１表面４６は、その非球面の上部に回折光学構造を含んでもよい。これと共に作動し、第１表面４６及び第２表面４７は、凸面反射鏡１８によって生成された虚像圧縮を伸張するだけでなく像面湾曲を除いた全てのフィールド収差及び色収差を効果的に補正してもよい。色補正をより改善するために、伸張レンズ２３の単一レンズ素子の第１表面４６は、約６８０ｎｍ以上から始まる光波長を遮断する薄膜ＩＲ遮断フィルタでコーティングされてもよい。ＩＲフィルタコーティングのまた他の利点は、光学素子の減少である。そうでない場合、追加的な平坦なフィルタ要素が湾曲画像センサ３３の前方に配置される必要がある。最も鮮明な画像は、湾曲画像センサ３３の凹面に位置する。焦点の深度に依存して、１６又は２２のＦストップを有するピンホール開口を使用する場合、画像センサ３２のような平坦な検知面で鮮明な画像を得ることが可能である。また他の可能性は、光ファイバフラットナ又はスミスレンズをセンサ表面カバーとして使用することである。どちらの場合も、単一要素の伸張レンズの概念を二重の要素に変換する。

図３１の開口２２の直径を２．２０ｍｍから０．５５ｍｍに減少させることによって、光学系１０のＦストップは４の代わりに１６になる。図３６〜図３９は、焦点を合わせた後の画像センサ３２のような平坦な表面上の画質を特徴づける。最大光学分解能は、０．３〜０．４のコントラスト（図３６）に対して５０ｃｙ／ｍｍであり、平均的に１６×１６ミクロンの領域上に７０％の光エネルギーが集中する（図３７）。その結果、平坦な検知面上の画質低下は、湾曲画像センサ３３のような３Ｄ検知面と比較して約４倍少ない。

本開示は、その思想又は本質的な特性を逸脱することなく、他の特定の形態で実施されてもよい。説明された実施形態は、全ての点において単に例示的なものであって、限定的なものではないとみなされるべきである。従って、本開示の範囲は、前述の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に入る全ての変更は、その範囲内に含まれるべきである。

本明細書に開示された発明は、明細書に記載された、又は図面に示された構成要素の構成及び配置の詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は、別の実施形態が可能であり、又は様々な方法で実施されてもよい。本明細書で使用された表現及び用語は、説明の目的のためのものであり、限定的であると見なされるべきではないことも理解されたい。

本開示では、適切ないくつかの実施形態のみが詳細に説明されているが、本開示の内容を検討する当業者は、開示された実施形態に列挙された主題の新しい思想及び利点から実質的に逸脱することなく、様々な変更が可能であることを容易に理解することができる（例えば、様々な要素、様々な大きさ、寸法、構造、形状、及び部分、パラメータの値、実装配置、材料、色、向きなど）。従って、そのような全ての修正は、開示された実施形態で定義される本開示の範囲内に含まれることが意図される。

Claims (36)

1. 画像センサを備えるコンパクトパノラマカメラのためのシステムであって、
   非放物線画像圧縮を用いてパノラマシーンの仮想の湾曲した圧縮画像を提供し、軸対称非球面を備える凸面反射鏡と、
   前記仮想の湾曲した圧縮画像を受け取るように配置された伸張レンズと、を含み、
   前記伸張レンズは、
   高光学分解能及び放物線画像伸張を有する前記湾曲及び圧縮された画像を実像に復元し、及び
   前記画像センサ上に実像を投影するシステム。
2. 前記凸面反射鏡の前記軸対称非球面は、双曲線構造である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記仮想の湾曲した圧縮画像の非放物線画像圧縮は、軸対称非球面の構造と同一のフォーマットである、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記高光学分解能は、１５０ｃｙ／ｍｍに対して３０％以上の多色回折の変調伝達関数を有するシステムを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 仮想の湾曲した圧縮画像を生成するように構成された反射屈折光学素子を含み、
   前記反射屈折光学素子は、前記凸面反射鏡を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記反射屈折光学素子は、
   前記パノラマシーンから光線を受け取るように配置された第１屈折面と、
   前記凸面反射鏡によって反射された光線を受け取るように配置された第２屈折面と、
   を含む、請求項５に記載のシステム。
7. 前記伸張レンズは、合計１つ以上の非球面を有する１つ以上のレンズ素子を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記１つ以上の非球面のうち少なくとも１つは、前記１つ以上の非球面のうち少なくとも１つに沿って配置される回折光学構造を有する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記伸張レンズは、
   負の光学的パワーを有する第１負レンズ素子と、
   負の光学的パワーを有する第２負レンズ素子と、
   正の光学的パワーを有し、前記第１負レンズ素子と前記第２負レンズ素子との間に配置される正レンズ素子と、を含む、請求項７又は８に記載のシステム。
10. 前記第１負レンズ素子の第１表面は、約６８０ナノメートル以上から始まる赤外線を遮断することができる薄膜コーティングによってコーティングされる、請求項９に記載のシステム。
11. 前記第１負レンズ素子、前記第２負レンズ素子、及び前記正レンズ素子のうち少なくとも１つは、１つ以上の非球面を有する、請求項９又は１０に記載のシステム。
12. 前記凸面反射鏡から直接的に反射する光線以外の光線をフィルタリングするように構成されたハードウェア開口を含み、
    前記ハードウェア開口は、前記凸面反射鏡の幾何学的焦点において又はその付近に前記凸面反射鏡と離隔して配置される、請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記伸張レンズは、前記ハードウェア開口によってフィルタリングされた前記仮想の湾曲した圧縮画像を受け取るように配置される、請求項１２に記載のシステム。
14. 高分解能を有する画像を圧縮及び伸張するための方法であって、
    反射屈折光学素子によってシーンから光線束を受け取ることと、
    非放物線圧縮を用いて前記光線束を前記反射屈折光学素子によって仮想の湾曲した圧縮画像に圧縮することと、
    前記反射屈折光学素子によって、前記仮想の湾曲した圧縮画像をハードウェア開口に反射することと、
    前記反射屈折光学素子によって反射する光線以外の光線を前記ハードウェア開口によってフィルタリングすることと、
    伸張レンズによって、前記ハードウェア開口から前記仮想の湾曲した圧縮画像を受け取ることと、
    前記伸張レンズによって、前記仮想の湾曲した圧縮画像を実像に復元することと、
    前記伸張レンズによって、前記実像を画像センサに投影することと、
    を含む方法。
15. 前記仮想の湾曲した圧縮画像の前記非放物線圧縮は、双曲線構造である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記実像は、高光学分解能を有する放物線伸張形式である、請求項１４又は１５に記載の方法。
17. 前記光線束を圧縮及び伸張するための方法は、
    デジタル画像処理なしの光学手段によって実行される、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 反射屈折光学系で非放物面鏡及び画像センサと共に使用するための伸張レンズであって、
    前記非放物面鏡から非放物線圧縮形式の仮想の湾曲した圧縮画像を受け取るように配置された少なくとも１つのレンズ素子を含み、
    前記１つ以上のレンズ素子は、前記仮想の湾曲した圧縮画像を高光学分解能及び伸張の放物線タイプを有する実像に復元するように構成されて前記実像を前記画像センサに投影する伸張レンズ。
19. 前記少なくとも１つのレンズ素子は、
    第１負レンズ素子と、
    第２負レンズ素子と、
    前記第１負レンズ素子と前記第２負レンズ素子との間に配置される正レンズ素子と、
    を含む、請求項１８に記載の伸張レンズ。
20. 前記第１負レンズ素子は、少なくとも１つの非球面を有し、
    前記第１負レンズ素子は、
    負の光学的パワーを有すること、
    光線束を拡張させること、
    前記少なくとも１つの非球面を使用してフィールド収差を部分的に補正すること、
    のうち少なくとも１つの特徴によって構造化される、請求項１９に記載の伸張レンズ。
21. 前記正レンズ素子は、非球面を有し、
    前記正レンズ素子は、正の光学的パワーを有すること、
    光線束を収束させること、
    前記非球面を使用することによってフィールド収差を部分的に補正すること、
    のうち少なくとも１つの特徴によって構造化される、請求項２０に記載の伸張レンズ。
22. 前記第２負レンズ素子は、非球面を有し、前記画像センサに近接して配置され、
    前記第２負レンズ素子は、
    負の光学的パワーを有すること、
    画像圧縮を補正すること、
    像面湾曲を補正すること、
    前記非球面を使用して残存フィールド収差を補正すること、
    のうち少なくとも１つの特徴によって構造化される、請求項２１に記載の伸張レンズ。
23. 前記第１負レンズ素子及び前記第２負レンズ素子は、ポリスチレン、ポリカーボネート、及びレキソライトのうち少なくとも１つを含む高分散プラスチック材料で製造される、請求項１９から２２のいずれか一項に記載の伸張レンズ。
24. 前記正レンズ素子は、
    ＰＭＭＡ及びゼオネックスのうち少なくとも１つを含む低分散光学プラスチック材料で製造される、請求項１９から２３のいずれか一項に記載の伸張レンズ。
25. 回転対称軸を有する３６０度の視野を検出するためのコンパクトパノラマカメラであって、
    特定の画像圧縮を用いて３６０度のパノラマシーンの仮想の湾曲した圧縮画像を提供するように構成された軸対称非球面を有する凸面反射鏡と、
    検出画像の将来的なマッピングのための望ましいコンパクトな物体空間視点を提供するために、前記凸面反射鏡から直接反射された光線以外の光線をフィルタリングするように構成された、前記凸面反射鏡の幾何学的焦点において又はその付近で前記凸面反射鏡と離隔して配置されたハードウェア開口と、
    前記ハードウェア開口によってフィルタリングされた仮想の湾曲した圧縮画像を受け取るように配置された伸張レンズと、
    を含み、
    前記伸張レンズは、前記仮想の湾曲した圧縮画像を高光学分解能及び放物線画像伸張を有する実像に復元して、画像センサ上に実像を投影し、
    前記画像センサは、前記３６０度のパノラマシーンの前記伸張レンズによって投影された前記実像を受け取るように配置されるコンパクトパノラマカメラ。
26. 前記凸面反射鏡の前記軸対称非球面は、双曲線形状を有する、請求項２５に記載のコンパクトパノラマカメラ。
27. 前記仮想の湾曲した圧縮画像の特定の画像圧縮は、前記軸対称非球面の構造と同一のフォーマットである、請求項２５又は２６に記載のコンパクトパノラマカメラ。
28. 前記凸面反射鏡は、前記仮想の湾曲した圧縮画像を生成するように構成された反射屈折光学素子に組み込まれる、請求項２５から２７のいずれか一項に記載のコンパクトパノラマカメラ。
29. 前記反射屈折光学素子は、
    前記凸面反射鏡と、
    ２つの屈折面と、を含み、
    前記２つの屈折面は、
    ３６０度のパノラマシーンから光線を受け取るように配置された第１屈折面と、
    前記凸面反射鏡によって反射された光線を受け取るように配置された第２屈折面と、
    を含む、請求項２８に記載のコンパクトパノラマカメラ。
30. 前記伸張レンズは、合計１つ以上の非球面を有する１つ以上のレンズ素子を含む、請求項２５から２９のいずれか一項に記載のコンパクトパノラマカメラ。
31. 前記１つ以上の非球面のうち少なくとも１つは、前記１つ以上の非球面のうち少なくとも１つに沿って配置される回折光学構造を有する、請求項３０に記載のコンパクトパノラマカメラ。
32. 前記伸張レンズは、
    光線束を拡張させてフィールド収差を部分的に補正する負の光学的パワーを有する第１負レンズ素子と、
    光線束を収束させて、フィールド収差を部分的に補正する正の光学的パワーを有する正レンズ素子と、
    画像圧縮、像面湾曲及び残存フィールド収差を補正する負の光学的パワーを有する第２負レンズ素子と、
    を含む、請求項３０又は３１に記載のコンパクトパノラマカメラ。
33. 前記第１負レンズ素子の第１表面は、約６８０ナノメートル以上から始まる赤外線を遮断することができる薄膜コーティングによってコーティングされる、請求項３２に記載のコンパクトパノラマカメラ。
34. 前記第１負レンズ素子、前記第２負レンズ素子、及び前記正レンズ素子のうち少なくとも１つは、１つ以上の非球面を有する、請求項３２又は３３に記載のコンパクトパノラマカメラ。
35. 前記画像センサは、３次元検知面及び２次元検知面のうち少なくとも１つを有する、請求項２５から３４のいずれか一項に記載のコンパクトパノラマカメラ。
36. 前記高光学分解能は、１５０ｃｙ／ｍｍに対して３０％以上の多色回折の変調伝達関数を有する、コンパクトパノラマカメラを含む、請求項２５から３５のいずれか一項に記載のコンパクトパノラマカメラ。

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