KR20110068994A - 3-미러 파노라마 카메라 - Google Patents

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KR20110068994A KR1020117005321A KR20117005321A KR20110068994A KR 20110068994 A KR20110068994 A KR 20110068994A KR 1020117005321 A KR1020117005321 A KR 1020117005321A KR 20117005321 A KR20117005321 A KR 20117005321A KR 20110068994 A KR20110068994 A KR 20110068994A
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세르게이 트루브코
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리모트리얼리티 코포레이션
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Abstract

매우 넓은 시야각을 갖는 이미지들을 취득하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 파노라마 카메라는 2개의 서브시스템, 즉 광학 서브시스템 및 이미지 센서를 포함한다. 광학 서브시스템은 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 적어도 3개의 비구면 미러를 포함한다. 생성된 이미지들은 이미지 센서의 나이퀴스트 샘플링 기준과 대략 동일하거나 이를 초과하는 광학 해상도를 갖는 이미지를 이미지 평면 상에 생성하도록 표준 광학 요소에 의해 교정될 수 있다. 제1 미러는 볼록 포물면 또는 쌍곡면 미러를 이용하여 선명하고 압축된 가상 이미지를 제공하다. 제2 및 제3 미러들은 광을 폴딩된 광학 경로를 통해 교정 요소 상으로 재지향시킨다. 표준 광학 요소는 가상 이미지를 이미지 센서 상에 투영한다. 이미지 처리 소프트웨어를 이용하여, 이미지 센서에 의해 캡처된 매우 넓은 각도의 이미지를 압축 해제하고 언랩핑할 수 있다.

Description

3-미러 파노라마 카메라{THREE-MIRROR PANORAMIC CAMERA}
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2008년 8월 14일자로 출원된 미국 가출원 제61/088,983호에 대한 우선권을 주장하며, 이 가출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다.
기술 분야
본 발명은 이미지 감지에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 매우 넓은 시야각들에 적합한 파노라마 카메라들에 관한 것이다.
현재, 다양한 굴절 및 반사 광학 컴포넌트들을 사용하는 다양한 파노라마 영상 카메라들 및 광학 시스템들이 존재한다. 예를 들어, 굴절 렌즈들로부터 어안 렌즈들이 정밀하게 형성된다. 어안 렌즈들은 220도까지의 매우 넓은 시야를 커버할 수 있다. 어안 렌즈들의 단점들은 잘 알려져 있다. 단점들 중에는 넓은 시야에 걸쳐 불균일한 이미지 조명도 및 해상도가 있다. 어안 렌즈와 같은 순수 굴절 광학 시스템은 일반적으로 굴절 광학 시스템이라고 한다.
다른 타입의 파노라마 영상 시스템은 미러들 및 렌즈들을 포함한다. 이러한 타입의 광학 시스템은 반사 굴절 광학 시스템이라고 한다. 일반적으로, 반사 굴절 광학 시스템들은 하나 또는 두 개의 오목 및/또는 볼록 미러들 및 일반적으로 미러들 뒤에 배치되는 하나 또는 두 개의 중계 렌즈들을 사용한다. 반사 굴절 광학 시스템들은 매우 넓은 시야각을 달성하도록 설계되었다.
하나의 미러와 하나의 중계 렌즈를 구비하는 간단한 반사 굴절 광학 시스템이 James S. Conant(미국 특허 제2,299,682호)에 의해 소개되었다. 이 특허는 카메라 렌즈에 의해 사진 필름 또는 플레이트 상에 투영되는 곡선 가상 이미지를 생성하는 볼록 포물선 또는 반구형 미러를 설명하고 있다. 이 예에서는 표준 카메라 렌즈가 중계 렌즈로서 사용된다. Conant 광학 시스템의 주요 단점은 대다수의 광각 광학 시스템들에서와 같이 비점 수차 및 필드 굴곡과 같은 교정되지 않은 필드 수차들로 인한 열악한 화질이다.
전술한 해로운 효과들을 줄이면, 더 선명한 이미지들이 생성된다. 또한, 정지 사진들의 화질을 유지하고, 비디오 기록을 위한 프레임 레이트를 증가시키기 위해, 더 높은 F-스톱 넘버가 필요하며 노출 시간이 증가해야 한다.
단일 시점으로부터의 반구형 장면을 이차원 포맷으로 렌더링하는 텔레센트릭 중계 대물 렌즈 및 표준 카메라 렌즈를 구비하는 볼록 포물선 미러를 사용하는 파노라마 카메라의 발명자인 Shree. K. Nayar에 의해 Conant 광학 시스템에서의 중대한 개량이 이루어졌다(미국 특허 제5,760,826호).
Nayar 광학 시스템의 주요 단점은 교정되지 않은 필드 굴곡이며, 이는 특히, 낮은 F-스톱들을 갖는 소형 광학 시스템들에서 화질을 감소시킨다. 만족스러운 선명한 이미지들을 얻기 위해, Nayar 광학 시스템의 F-스톱은 센서 포맷에 따라 8 이상이어야 하며, 결과적으로 더 높은 물체 조명도 및 더 긴 노출 시간이 필요하다. 포물선 미러 직경들은 3-4인치 정도여서, 광학 시스템 길이는 약 12인치 정도이어야 하므로, 더 높은 조명도는 부피가 큰 종합 패키지들의 사용을 필요로 한다.
포물선 미러들을 구비하는 반사 굴절 파노라마 광학 시스템들에서 화질을 개선하기 위한 또 하나의 시도가 Edward Driscoll, Jr. 등(미국 특허 제6,480,229 B1호)에 의해 설명되었다. Driscoll 광학 시스템에서는 2개의 필드 평탄화 교정 렌즈가 도입된다. 제1 교정 렌즈는 포물선 미러와 카메라 렌즈 사이에 배치되고, 제2 교정 렌즈는 카메라 렌즈와 센서 평면 사이에 배치된다. 제1 교정 렌즈는 비점 수차를 교정하며, 제2 교정 렌즈는 필드 굴곡을 교정한다. Driscoll의 특허에는 어느 교정 렌즈에 대한 상세한 설명도 없으며, 이러한 타입의 교정 레벨 또는 달성된 광학 품질에 대한 데이터도 제공되지 않는다. 또한, 필드 평탄화 렌즈가 이미지 평면에 위치하지 않는 경우에는 비점 수차 효과와 필드 굴곡 효과를 구별하기 어렵다. Driscoll 광학 시스템은 제2 Nayar 광학 시스템의 파생물이며, 여기서는 Driscoll 광학 시스템 내의 제1 및 제2 교정 렌즈들이 Nayar 중계 렌즈를 대체한다. 양 광학 시스템들은 필드 평탄화 교정을 제공하지 않는 오리지널 Conant 광학 시스템의 화질을 개선한다.
Javaan Singh Chahl 등(미국 특허 제5,790,181호), Alfred M. Bruckstein 등(미국 특허 제5,920,376호) 및 Yasushi Yagi 등(미국 특허 제6,130,783호)은 광학 이미지 형성 및 광학 화질에 대한 상세한 설명 없이 단일 미러 및 2-미러 파노라마 광학 시스템들을 다루고 있다. 근본적으로, Chahl, Bruckstein 및 Yagi는 주요 광선들 및 센서 평면으로의 주요 광선 맵핑을 설명하고 있다. 이 3개의 특허에서는, 광선 다발들, 및 교정되지 않은 필드 굴곡, 비점 수차 및 측방 컬러 변위와 같은 관련 광학 수차들이 다루어지지 않는다. 3개의 전술한 특허 각각에 설명된 광학 시스템들은 이미지를 선명하게 하기 위해 더 높은 F-스톱들을 필요로 하며, 이는 낮은 이미지 조명 레벨 및 열악한 콘트라스트를 유발한다.
파노라마 광학 시스템들에서 필드 굴곡을 더 교정하기 위하여, Gottfried R. Rosendahl 등(미국 특허 제4,395,093호)은 21개의 렌즈 요소를 포함하는 맞춤형 대물 렌즈와 연계하여 사용되는 볼록 쌍곡선 미러를 도입하고 있다.
Arthur Cox(미국 특허 제4,484,801호)는 유사한 접근법에서 쌍곡선 미러 및 16개의 단일 렌즈 요소를 포함하는 맞춤형 대물 렌즈를 이용하여 필드 수차들을 교정하고 화질을 개선한다. 양 맞춤형 대물 렌즈 광학 시스템들은 높은 F-스톱을 필요로 하고, 복잡한 광학계를 필요로 하며, 결국은 높은 이미지 압축을 제거하지 못한다.
디지털 영상 광학계는 통합 디지털 센서의 설계에서 그리고 디지털 이미지 처리 소프트웨어의 기능에서 사진 필름 광학 시스템들을 능가하는 화질 교정의 추가적인 자유를 제공한다. 디지털 센서와 이미지 처리 소프트웨어를 광학 시스템 내에 통합한 파노라마 광학계를 이용하여, 이미지 압축 및 파노라마 왜곡이 없는 높은 품질의 디지털 이미지들이 얻어질 수 있다.
전술한 특허들 중 어느 것도 광학계, 디지털 이미지 센서 및 이미지 처리의 3개의 디지털 이미지 컴포넌트를 파노라마 광학 시스템 내에 통합하지 못한다. 예를 들어, Cox는 광학 시스템을 정밀하게 다룬다. Nayar(미국 특허 제5,760,826호) 및 Chahl(미국 특허 제5,790,181호)은 광학 시스템 및 디지털 이미지 센서 평면 상의 이미지 압축을 다룬다. 일반적으로, 디지털 이미지 센서 상의 이미지 압축은 매우 압축된 이미지 영역들에서 훨씬 더 낮은 해상도를 제공하며, 또한 파노라마 왜곡을 유발한다. 이미지 압축, 해상도 및 파노라마 왜곡의 총괄적인 문제들이 전술한 특허들 중 어느 것에서도 고려되지 않으며, 이러한 문제들은 전술한 특허들의 임의 조합에서도 고려되지 않는다.
본 발명은 적어도 3개의 미러를 구비하는 작고, 해상도가 높으며 강력한 파노라마 카메라를 제공함으로써 이 분야에 존재하는 요구를 충족시킨다. 이러한 카메라는 화상 회의, 로보틱스 비전, 무인 수송 수단, 감시 및 다른 유사한 응용들을 포함하는 다양한 용도를 제공한다. 일부 실시예들에서, 이러한 소형 파노라마 카메라는 휴대용이다. 고해상도 파노라마 카메라는 일부 실시예들에서는 최대 시야일 수 있는 매우 넓은 시야에 대해 선명하고 왜곡되지 않은 파노라마 이미지들을 제공하는 카메라를 의미한다.
또한, 본 발명은 파노라마 카메라의 노출 시간을 줄이기 위해 비교적 작은 F-스톱을 제공한다. 감소된 노출 시간은 이미지 센서 필드 또는 평면에서의 파노라마 카메라 F-스톱 및 픽셀 감도가 초당 100 프레임(100 FPS) 이상의 비디오 기록을 제공하는 비디오 응용들에서 특히 중요하다.
하나 이상의 바람직한 실시예에서, 본 발명은 매우 넓은 시야각으로 물체들의 이미지를 생성하는 데 적합한 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 적어도 3개의 비구면 미러를 포함하는 광학 서브시스템을 포함한다. 이들은 중앙 개구 및 광축을 정의하는 광학 서브시스템의 제1 볼록 미러, 중앙 개구를 정의하는 제2 비구면 미러, 및 제3 미러이다. 광학 서브시스템의 제2 비구면 미러는 제1 볼록 비구면 미러에 대해 광축을 따라 배치된다. 광학 서브시스템의 제3 비구면 미러도 제1 볼록 비구면 미러 중앙 개구에 또는 그 근처에 광축을 따라 배치된다. 이러한 최소 3-미러 광학 서브시스템은 물체 공간으로부터 반사된 광을 광학 교정 요소 상으로 지향시키는 데 적합하다. 이미지 검출기의 나이퀴스트(Nyquist) 샘플링 기준과 대략 동일하거나 이를 초과하는 광학 해상도를 갖는 이미지를 이미지 평면 상에 생성하기 위해 매우 넓은 시야각에서의 물체들의 이미지가 표준 광학 요소에 의해 교정될 수 있다.
하나 이상의 바람직한 실시예에서, 본 발명은 매우 넓은 시야에서의 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 프로세스에 관한 것이다. 이 프로세스는 볼록 비구면 반사면에 의해 매우 넓은 시야에서의 하나 이상의 물체를 반사하여 제1 가상 이미지를 제공하는 단계를 포함한다. 제1 가상 이미지는 제2 비구면 미러에 의해 반사되어 제2 이미지를 형성하며, 제1 가상 이미지를 반사하는 단계는 제1 이미지 필드 굴곡 및 제1 이미지 압축 중 하나 이상을 교정하는 단계를 포함한다. 제2 이미지는 제3 비구면 미러에 의해 반사되어 제3 이미지를 형성하며, 제2 이미지를 반사하는 단계는 제2 이미지 필드 굴곡 및 제2 이미지 압축 중 하나 이상을 교정하는 단계를 포함한다. 이미지 검출기의 나이퀴스트 샘플링 기준과 대략 동일하거나 이를 초과하는 광학 해상도를 갖는 회절 제한된 이미지를 투영하기 위해 제3 이미지가 광학 교정 요소에 의해 포커싱된다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들, 특징들 및 장점들은 상이한 도면들에 걸쳐 동일 참조 문자들이 동일 부분들을 지칭하는 첨부 도면들에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 아래의 더 구체적인 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면들은 반드시 축척으로 그려진 것은 아니며 그 대신에 본 발명의 원리들을 도시할 때에는 강조가 이루어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파노라마 카메라의 시스템 블록도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예의 방법의 흐름도.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예의 수직 단면도.
도 4는 도 3a 및 3b에 도시된 본 발명의 실시예에 대한 포인트 소스 물체들의 이미지 스폿 도면.
도 5a 및 5b는 본 발명의 다른 실시예의 수직 단면도.
도 6은 도 5a 및 5b에 도시된 본 발명의 실시예에 대한 포인트 소스 물체들의 이미지 스폿 도면.
도 7a 및 7b는 본 발명의 또 다른 실시예의 수직 단면도.
도 8은 도 7a 및 7b에 도시된 본 발명의 실시예에 대한 포인트 소스 물체들의 이미지 스폿 도면.
도 9a 및 9b는 본 발명의 또 다른 실시예의 수직 단면도.
도 10은 도 9a 및 9b에 도시된 본 발명의 실시예에 대한 포인트 소스 물체들의 이미지 스폿 도면.
도 11a 및 11b는 본 발명의 또 다른 실시예의 수직 단면도.
도 12는 도 11a 및 11b에 도시된 본 발명의 실시예에 대한 포인트 소스 물체들의 이미지 스폿 도면.
도 13은 도 11a 및 11b에 도시된 본 발명의 실시예에 대한 교정된 필드 굴곡 및 F-세타 왜곡 또는 이미지 압축의 곡선들을 나타내는 도면.
도 14a 및 14b는 본 발명의 또 다른 실시예의 수직 단면도.
도 15는 도 14a 및 14b에 도시된 본 발명의 실시예에 대한 포인트 소스 물체들의 이미지 스폿 도면.
도 16은 도 14a 및 14b에 도시된 본 발명의 실시예에 대한 교정된 필드 굴곡 및 F-세타 왜곡 또는 이미지 압축의 곡선들을 나타내는 도면.
도 17a 및 17b는 본 발명의 또 다른 실시예의 수직 단면도.
도 18은 도 17a 및 17b에 도시된 본 발명의 실시예에 대한 포인트 소스 물체들의 이미지 스폿 도면.
도 19는 도 17a 및 17b에 도시된 본 발명의 실시예에 대한 교정된 필드 굴곡 및 F-세타 왜곡 또는 이미지 압축의 곡선들을 나타내는 도면.
여기에 도시되고 설명되는 특정 구현들은 본 발명의 예들일 뿐이며 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 의도는 없다는 것을 알아야 한다. 또한, 본 기술들은 화상 회의, 로보틱스 비전, 무인 수송 수단들에서의 응용들 또는 임의의 다른 유사한 응용들에 적합하다.
일부 실시예들에서, 본 발명의 원리들에 따라 구성되는 파노라마 카메라는 적어도 3개의 부분을 포함한다. 제1 부분은 광학 시스템을 포함한다. 제2 부분은 광학 시스템에 부착된 디지털 이미지 센서를 포함하며, 디지털 이미지 센서는 디지털 이미지 센서의 센서 평면이 광학 시스템의 이미지 평면과 일치하는 방식으로 광학 시스템에 부착된다. 제3 부분은 이미지 처리 소프트웨어를 포함하며, 이미지 처리 소프트웨어는 컴퓨터 상에 설치되거나, 디지털 카메라 전자 장치에 포함된 PC 보드에 내장된다.
광학 시스템은 적어도 2개의 서브시스템을 포함한다. 제1 서브시스템은 매우 넓은 시야를 캡처하도록 구성된 3-미러 광학 서브시스템을 포함한다. 3-미러 광학 서브시스템은 광축을 따르는 소형 프로파일을 형성하는 광학 경로의 더블 폴딩을 제공한다. 소형 프로파일은 광축을 따르는 3-미러 광학 서브시스템의 크기를 줄이기 위해 제2 비구면 미러 및 제2 비구면 미러의 결합에 의해 제공되는 광학 경로의 더블 광학 폴딩에 적어도 부분적으로 기인한다. 광학 시스템 패키지를 수치적으로 특성화하기 위해, 3-미러 광학 서브시스템의 광축을 따라 측정된 3-미러 광학 서브시스템의 길이 대 3-미러 광학 서브시스템의 제1 비구면 미러의 직경인 비율이 결정될 수 있다. 일부 단일 미러 광학 시스템들에서, 이러한 길이 대 직경 비율은 약 3.68 또는 그 이상 정도로 낮을 수 있다. 여기에 설명되는 실시예에서의 길이 대 직경 비율은 약 1.1-1.2 이하 정도로 낮을 수 있다.
제1 서브시스템과 광학적으로 통하는 제2 서브시스템은 하나 이상의 미러, 하나 이상의 렌즈, 또는 하나 이상의 미러와 하나 이상의 렌즈의 결합과 같은 광학 교정 요소를 포함한다. 예컨대, 교정 요소는 3-미러 광학 시스템으로부터 더블 폴딩된 광선들을 수신하도록 배치된 교정 렌즈와 같은 렌즈일 수 있다. 교정 렌즈는 굴절 대물 렌즈 어셈블리를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 교정 렌즈는 마이크로 투영 렌즈(MPL)를 포함한다. 광학 시스템은 이미지 평면 상에 물체 공간(시야)의 소스 이미지를 생성한다. 소스 이미지를 캡처하기 위해 이미지 평면에 이미지 센서가 배치된다. 소스 이미지는 물체 공간의 압축된 이미지이다. 일부 실시예들에서, 물체 공간은 3-미러 광학 서브시스템의 광축에 대해 측정된 최대 360도를 포함한다. 일부 실시예들에서, 이미지 처리 소프트웨어는 캡처된 소스 이미지를 처리하고, 파노라마 투시도를 생성하도록 제공한다. 예컨대, 이미지 평면 상에 투영된 360도 소스 이미지는 원형 이미지(즉, 극 좌표를 사용하기에 더 편리한 이미지)이다. 이미지 처리 소프트웨어는 소스 이미지를 본질적으로 언랩핑(unwrapping)하여 데카르트 좌표에서의 표현을 재생성함으로써 파노라마 투시도를 생성할 수 있다.
광학 서브시스템은 적어도 3개의 미러, 즉 제1 볼록 비구면 미러, 제2 비구면 미러 및 제3 비구면 미러를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 제1 볼록 미러는 대칭축인 광축을 포함하며, 곡선 볼록 비구면 미러는 일 단부에 제1 미러 중앙 개구를 포함한다. 제1 볼록 미러는 곡선(생성기)에 의해 정의될 있으며, 광축에 대한 생성기 곡선의 회전의 표면이다. 제1 미러는 시야로부터의 광선들을 반사하여, 물체 공간의 제1 가상 및 압축 이미지를 형성한다. 일부 실시예들에서, 제2 미러는 광축을 따르는 중앙 개구를 갖는 비구면 미러이다. 대안으로 또는 추가로, 제3 미러도 광축을 따라 배치되는 비구면 미러이다. 하나 이상의 바람직한 실시예에서, 제2 및 제3 미러들은 상이한 형상들이다. 제2 및 제3 미러들은 또한 각각의 생성기 곡선들에 의해 정의될 수 있으며, 광축에 대한 회전의 표면들이다. 일부 실시예들에서, 제1, 제2 및 제3 미러들은 광축에 대해 축 대칭이다. 또한, 일부 실시예들에서, 미러들은 광축 주위의 생성기 곡선의 부분 회전(즉, 180도 이하)에 의해 형성되는 표면들이다. 제1 미러와 제3 미러의 결합은 더블 광학 폴딩을 제공하여, 3-미러 광학 서브시스템의 광축을 따른 길이를 줄임으로써 더 작은 파노라마 카메라를 제공한다. 하나 이상의 바람직한 실시예에서, 결합된 제2 및 제3 미러들은 고차 광학 수차들의 교정을 제공한다.
일부 실시예들에서, 제1 볼록 비구면 미러는 입사 광선들을 제2 비구면 미러를 향해 반사하며, 제2 비구면 미러는 한 번 반사된 광선들을 제3 비구면 미러를 향해 반사한다. 제3 비구면 미러는 두 번 반사된 입사 광선들을 제2 비구면 미러의 중앙 개구를 통해 반사한다. 세 번 반사된 광선들은 제3 미러로부터 이미지 평면 상에 이미지를 생성하도록 구성된 광학 교정 요소로 지향된다. 3개의 비구면 미러의 상대적인 형상들은 나이퀴스트 샘플링 기준과 대략 동일하거나 그를 초과하는 광학 해상도를 생성하기 위해 광학 교정 요소에 의해 교정될 수 있는 이미지를 생성하도록 선택된다. 대안으로 또는 추가로, 투영된 이미지는 또한 약 0.015mm-1 미만의 교정된 필드 굴곡을 갖는다.
일부 실시예들에서, 이미지 평면은 개별 픽셀들의 어레이를 포함하는 센서를 포함할 수 있다. 나이퀴스트 샘플링 기준은 1/(2*N)으로 나타낼 수 있으며, 여기서 'N'은 픽셀 치수이다. 픽셀 치수(N)는 픽셀 피치라고도 하는 중심 대 중심 픽셀 간격이다. 일부 실시예들에서, 투영된 이미지는 약 2 마이크로미터의 픽셀 피치를 갖는 현재 이용 가능한 디지털 센서들에 대해 2*N 당 적어도 2개의 라인 또는 mm 당 적어도 2개의 사이클을 가지며, 이는 약 250개의 라인 쌍에 대응한다. 일부 실시예들에서, 투영된 이미지는 mm 당 적어도 40개의 라인 또는 사이클을 갖는다. 일부 실시예들에서, 투영된 이미지는 mm 당 적어도 100개의 라인 또는 사이클을 갖는다. 일부 실시예들에서, 투영된 이미지는 mm 당 적어도 150개의 라인 또는 사이클을 갖는다. 일부 실시예들에서, 투영된 이미지는 mm 당 적어도 200개의 라인 또는 사이클을 갖는다. 일부 실시예들에서, 투영된 이미지는 mm 당 적어도 500개의 라인 또는 사이클을 갖는다. 일부 실시예들에서, 이미지 평면은 광 센서들의 그리드 상에 적색, 녹색 및 청색(RGB) 컬러 필터들을 배열하기 위해 컬러 필터 어레이(CFA)를 사용할 수 있다. 그러한 CFA의 일례는 바이엘 패턴(Bayer pattern)으로 알려져 있다. CFA, 예컨대 바이엘 패턴은 단일 센서를 이용하여 장면 컬러 정보를 취득하는 데 사용될 수 있다. CFA 이미지 평면의 나이퀴스트 샘플링 주파수는 컬러 채널들의 집합 또는 결합에 대해서보다 각각의 컬러 채널에 대해 더 낮을 수 있다. 따라서, 개별 픽셀들의 어레이 내의 픽셀 간격은 컬러 채널들의 집합 또는 결합에 대해서보다 각각의 컬러 채널에 대해 더 클 수 있다.
일부 유사한 실시예들에서, 이미지 평면은 개별 픽셀들의 어레이가 아니라 사진 필름을 포함하는 센서를 포함할 수 있다. 따라서, 사진 필름의 입자 크기는 개별 픽셀들의 어레이에 대한 픽셀 치수(N)와 대략 유사할 수 있으며, 입자 크기 직경, 입자 크기 에지 및 입자 크기 중심 대 중심 간격은 개별 픽셀들의 어레이에 대한 직경, 에지 및 중심 대 중심 간격과 유사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파노라마 카메라(110)의 시스템 블록도를 나타낸다. 파노라마 카메라(110)는 다수의 서브어셈블리를 포함한다. 제1 서브어셈블리는 광학 시스템(111)이다. 제2 서브어셈블리는 광학 시스템(111)에 대해 장착된 디지털 이미지 센서(122)를 포함하며, 디지털 이미지 센서(122)는 디지털 이미지 센서(122)의 센서 평면(122a)이 광학 시스템(111)의 이미지 평면(122b)과 일치하는 방식으로 광학 시스템(111)에 대해 장착된다. 광학 시스템(111)은 이미지 평면(122b) 상에 이미지(125)를 생성한다. 일부 실시예들에서, 이미지는 원형이다. 예컨대, 일부 실시예들에서는, 광학 시스템(111)에 의해 결정되는 바와 같이, 이미지 내부 원(125a)과 이미지 외부 원(125b) 사이에 고리형 원 이미지(125)가 형성될 수 있다.
제3 서브시스템은 디지털 이미지 센서(122)에 의해 캡처된 이미지의 전자 표현을 수신하도록 구성되는 제어기(105)를 포함한다. 일부 실시예들에서는, 캡처된 이미지를 처리하기 위한 이미지 처리 소프트웨어(106)가 제공된다. 이미지 처리 소프트웨어(106)는 많은 가운데 특히 이미지(125)의 자동 포커싱 및 이미지(125)의 수동 포커싱 중 적어도 하나를 달성하는 데 사용될 수 있다. 포커싱된 이미지의 디지털 표현이 렌더링되고 최종 사용자에게 표시된다. 예컨대, 포커싱되고 렌더링된 이미지가 사용자 인터페이스(108)의 비디오 디스플레이(107) 상에 표시될 수 있다. 사용자 인터페이스(108)는 사용자가 이미지(125)를 자동으로 포커싱하는 기능들 및 이미지(125)를 수동으로 포커싱하는 기능들 중 적어도 하나를 위해 이미지 처리 소프트웨어(106)를 조작할 수 있게 하는 사용자 제어들을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 프로세스(50)의 흐름도를 나타낸다. 프로세스(50)는 먼저 광학 시스템을 조정하여(51), 매우 넓은 시야를 캡처하고, 시야로부터 수신된 광선들을 더블 폴딩하고, 더블 폴딩된 광선들을 센서 평면 상에 투영하는 단계(52)를 포함한다. 시스템은 이미지 평면에 이미지를 수신하고, 이미지 포커스의 추정치를 결정한다(53). 이미지가 포커스 밖에 있는 것으로(즉, 허용 가능한 포커스 범위 내에 있지 않은 것으로) 결정되는 경우, 제어기가 광학 시스템을 재조정한다(54). 에지 검출과 같은 이용 가능한 포커스 검출 기술들을 이용하여 자동 이미지 포커스 검출이 달성될 수 있다.
프로세스(50)는 이미지가 이미지 포커스 테스트 단계(53)에서 포커스 내에 있는 것으로 간주된 경우에 이미지에 대해 이미지 처리 기능들을 수행하여(55), 이미지를 더 선명하게 하고, 선명해진 이미지를 디스플레이 상에 렌더링하고(56), 선명해진 이미지 포커스를 자동으로 최초 테스트하고(57), 이미지가 포커스를 벗어난 경우에 이미지 처리 기능들을 재조정하는 단계(58)를 더 포함한다. 포커스 프로세스는 파라미터화될 수 있으며, 필요에 따라 광학 시스템의 조정(54)에 의해 포커싱하고, 이어서 이미지 처리에 의해 포커싱하며, 이러한 하나 이상의 단계를 반복할 수 있다.
프로세스(50)는 선명해진 이미지가 포커스를 벗어난 경우에 선명해진 이미지 포커스를 자동으로 재차 테스트하는 단계, 및 선명해진 이미지 포커스를 수동으로 재차 테스트하는 단계(59) 중 적어도 하나를 더 포함한다. 프로세스(50)는 포커스 테스트들(54, 58, 59)의 각각을 만족스럽게 통과한 때 종료된다. 일부 실시예들에서, 프로세스는 포커스를 추적하고 유지하기 위해 피드백 루프에서 반복된다. 이러한 추적은 진동 등에 대한 단기 성능 향상을 위해 그리고 환경 인자들(예컨대, 온도) 및 컴포넌트 노화에 대한 장기 성능 향상을 위해 개선된 성능을 제공할 수 있다.
도 3a는 대칭 광축(112)을 가진 예시적인 고해상도 파노라마 카메라(110)를 나타낸다. 예시적인 파노라마 카메라(110)는 3개의 부분을 포함한다. 제1 부분은 광학 시스템(111)을 포함한다. 제2 부분은 광학 시스템(111)에 장착된 디지털 이미지 센서(122)를 포함하며, 디지털 이미지 센서(122)는 디지털 이미지 센서(122)의 센서 평면(122a)이 광학 시스템(111)의 이미지 평면(122b)과 일치하는 방식으로 광학 시스템(111)에 장착된다. 제3 부분은 이미지 처리 소프트웨어(106)를 포함한다.
광학 시스템(111)은 적어도 2개의 서브시스템을 포함한다. 제1 서브시스템은 3-미러 광학 서브시스템을 포함한다. 제2 서브시스템은 교정 렌즈와 같은 광학 교정 요소를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 교정 렌즈는 굴절 대물 렌즈 서브시스템(111b)이다. 일부 실시예들에서, 교정 렌즈는 마이크로 투영 렌즈(120)이다. 제1 바람직한 실시예에서, 마이크로 투영 렌즈(120)는 이상적인 렌즈를 포함한다.
3-미러 광학 서브시스템(111a)은 제1 볼록 비구면 미러(114), 제2 미러(116) 및 제3 미러(118)를 포함한다. 미러들(114, 116, 118)은 광축(112)에 대한 각각의 회전 곡선에 의해 정의된다. 일부 실시예들에서, 제1 볼록 미러는 포물면이다. 다른 실시예들에서, 제1 볼록 미러는 쌍곡면이다.
일부 실시예들에서, 제1 볼록 미러는 고차 포물면이다. 다른 실시예에서, 제1 볼록 렌즈는 고차 쌍곡면이다. 고차 포물면 및 고차 쌍곡면은 다음과 같은 그들의 대응하는 2차 원뿔면들로부터 벗어난 축대칭 회전 표면들로서 표현될 수 있다.
Figure pct00001
z축은 광축과 일치하며, h는 광축에 수직인 평면에서의 방사상 치수이다.
계수 k는 편심률(ε)과 간단한 관계를 갖는 원뿔 상수인데, 즉 편심률(ε)은 k의 음수의 제곱근이다. n=4, 6, 8,..., 및 k<-1에 대해 αn=0인 경우, 회전 표면은 쌍곡면이다. k=-1인 경우, 회전 표면은 포물면이다. -1<k<0인 경우, 표면은 타원면이다. k=0인 경우, 표면은 구면이다.
2차 원뿔면들로부터의 편의들은 고차 원뿔면들을 생성한다. 구체적으로, αn이 n=6, 8, 10, 12,...에 대해 0이 아닌 경우에 고차 포물면 및 고차 쌍곡면이 생성된다.
제1 볼록 미러는 일 단부에 배치되고 중심축 주위에 중심을 갖는 중앙 개구(114a)를 정의한다. 일 실시예에서, 제1 볼록 미러(114)는 그의 정점에서 13.56mm의 곡률 반경을 갖는 볼록 포물면 미러를 포함한다. 이 실시예에서, 중앙 개구(114a)는 약 44.0mm의 제1 볼록 미러 최대 직경(114b)에 대해 약 16.0mm의 직경을 포함한다. 제2 미러(116)는 2,169.0mm의 곡률 반경, 10.0mm의 직경을 갖는 제2 미러 중앙 개구(116a) 및 29.0mm의 제2 미러 직경(116)을 갖는 볼록 비구면 미러를 포함한다. 제3 미러(118)는 286.0mm의 곡률 반경 및 제1 미러 중앙 개구(114a)와 정확히 동일한 16.0mm의 제3 미러 직경(118a)을 갖는 오목 비구면 미러를 포함한다.
제3 미러(118)는 바람직하게는 제1 미러 중앙 개구(114a) 내에 중심을 가지며, 제1 미러 중앙 개구(114a)를 정확하게 대체한다. 이러한 배치는 제1 볼록 미러와 제3 미러가 그들의 상대적 위치들을 유지하도록 서로 단단히 부착될 수 있으므로 구성 및 성능을 간소화할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 미러(114)와 제2 미러(116)는 22.2mm의 간격으로 분리된다. 제2 미러(116)와 제3 미러(118)는 24.5mm의 간격으로 분리된다. 제1 미러의 원단(far end)(114c)에서 이미지 평면(122b)까지의 대칭 광축(112)을 따르는 광학 시스템(111)의 길이는 50.0mm인 반면, 시스템(111)을 통하는 광선 경로는 더블 폴딩으로 인해 훨씬 더 크다.
마이크로 투영 렌즈(120)는 제2 미러 중앙 개구(116a) 내에 중심을 가질 수 있다. 마이크로 투영 렌즈(120)는 약 3.5mm의 직경, 약 6.7mm의 포커스 길이 및 약 0.25의 개구수(NA)를 갖는다.
대칭 광축(112)에 대해 각각 68도, 90도 및 126도의 각도들을 갖는 광선 다발들(124, 126, 128)의 세트가 도 3a에 그려져 있다. 광축(112)에 대한 180도 회전에 의해 형성된 광학 시스템(111)은 이미지 평면(122b) 상에 원형 이미지(125)를 생성하며, 직경 1.83mm의 이미지 내부 원(125a)과 직경 4.2mm의 이미지 외부 원(125b) 사이에 이미지(125)가 형성된다. 도 3b는 도 3a와 동일하며, 광선 다발들(124, 126, 128)의 각각의 세트로부터의 주요 광선들만이 도시되어 있다.
이미지 내부 원(125a)은 광선 다발들(124)에 의해 정의된다. 이미지 내부 원(125a)의 내부에는 이미지 컴포넌트가 없으며, 이는 제1 미러 중앙 개구(114a)의 결과이다. 이미지 외부 원(125b)은 광선 다발들(128)에 의해 정의된다. 제1 미러의 원단(114c)에 의해 제한되는 이미지 외부 원(125b) 밖에는 어떠한 이미지도 형성되지 않는다. 결과적으로, 파노라마 카메라(110)의 시야(FOV)는 대칭 광축(112)을 따라 정렬된 2개의 원뿔보다 작은 최대 4π 스테라디안에 접근하는 실질적 구면이다. 원뿔들은 대칭 광축(112)에 대해 측정된 68도 및 126도의 각도들을 절단한다.
제1 볼록 미러(114)는 제1 가상 이미지에 필드 굴곡을 유발하며, 이미지 외부 원(125b)에 더 가까운 제1 가상 이미지 컴포넌트들을 더 압축한다. 가상 이미지의 압축은 방사상으로 그리고 원주 방향으로 동시에 발생한다. 따라서, 이미지 내부 원(125a)에 더 가까운 제1 이미지 컴포넌트들은 이미지 외부 원(125b)에 더 가까운 제1 이미지 컴포넌트들보다 덜 압축된다. 이것은 주로 제1 미러(114)의 그의 정점에 더 가까운 방사상으로 그리고 원주 방향으로의 더 작은 곡률 반경의 결과이다. 제2 미러(116) 및 제3 미러(118)는 제1 미러(114)에 의해 생성된 제1 이미지 필드 굴곡 및 제1 이미지 압축의 일부를 교정한다. 제2 미러(116) 및 제3 미러(118)는 대칭 광축(112) 및 광선 다발들(124, 126, 128)의 세트로 도시된 광학 경로들을 더블 폴딩함으로써 광학 시스템(111)의 길이를 줄인다.
제2 미러(116) 및 제3 미러(118)는 동공들에서의 구면 수차들을 교정하여, 적절한 이미지 압축을 제공하며, 이미지 내의 코마도 교정한다. 마이크로 투영 렌즈(120)와 같은 표준 광학 요소는 매우 볼록한 포물면 미러(114)에 의해 유발되는 필드 굴곡을 교정한다. 마이크로 투영 렌즈(120)는 광학 시스템(111)에 대해 개구 및 사출 동공으로서 사용되어, 이미지 평면(122b)에 이미지(125)를 제공한다. 시스템의 개구는 조명의 양을 제어하며, 이는 이미지 캡처 속도와도 관련된다. 일반적으로, 화질을 위해 그리고 이미지 캡처 속도의 더 많은 유연성을 제공하기 위해 더 많은 광이 바람직하다. 개구들은 F-스톱과 관련하여 설명될 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템은 바람직한 성능을 위해 약 2.8 이하의 F-스톱들을 사용한다.
일부 실시예들에서, 비교적 작은 F-스톱들은 파노라마 카메라의 노출 시간을 줄인다. 감소된 노광 시간은 이미지 센서 필드 또는 평면에서의 파노라마 카메라 F-스톱 및 픽셀 감도가 비디오 기록을 제공하는 비디오 응용들에서 특히 중요하다. 일부 실시예들에서, 비디오 레이트들은 스톱 이미지 감시 응용들에 대해 초당 1 프레임 이상일 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 비디오 레이트들은 초당 1 프레임보다 클 수 있다. 예컨대, 초당 30 내지 60 프레임의 표준 비디오 레이트들이 지원될 수 있다. 일부 실시예들에서, 슬로우 모션 응용들에서 사용될 수 있는 바와 같이, 초당 100 프레임(100 FPS) 이상의 더 큰 비디오 캡처 레이트들도 가능하다.
일부 실시예들에서, 이미지 센서들은 다수의 픽셀(예를 들어, 4 메가 픽셀 이상)을 제공함으로써 높은 해상도를 제공한다. 일부 실시예들에서, 디지털 이미지 센서(122)의 각각의 행 및 열은 1.75 마이크로미터의 균일한 픽셀 크기를 갖는 대략 2,400개의 픽셀(예컨대, ID, Boise의 마이크론 테크놀로지사로부터 구매 가능한 마이크론 CMOS 센서 MT9E001I12STC), 또는 2.2 마이크로미터의 균일한 픽셀 크기를 갖는 약 1,900개의 픽셀(마이크론 CMOS 센서 MT9P031I12STC)로 채워지며, 디지털 이미지 센서(122)는 적어도 이미지 내부 원(125a)과 이미지 외부 원(125b) 사이에 형성된 이미지(125)를 커버하도록 채워진다. 예시적인 디지털 이미지 센서(122)에 대한 나이퀴스트 주파수는 전자의 예에 대해서는 286mm-1이고, 후자의 예에서 대해서는 227mm-1이다. 광학 시스템(111)의 제1 바람직한 실시예의 광학 공간 주파수 해상도는 디지털 이미지 센서(122)의 공간 해상도를 초과하며, 이러한 이유로 인해 시스템(110)의 총 해상도는 디지털 센서(122)의 해상도에 의해 제한된다.
도 4는 제1 바람직한 실시예에서 포인트 소스 물체들에 대한 이미지 평면(122) 상의 블러 스폿들(blur spots)을 나타내는 스폿 도면(130)을 나타낸다. 중앙의 특징은 이미지 평면(122)에 의한 포인트 확산 기능의 단면을 나타낸다. 외부 원은 에어리 디스크(Airy disk)를 나타낸다. 포인트 확산 기능으로부터 결정되는 스폿 크기가 에어리 디스크 내에 포함되는 경우에, 광학 시스템은 회절 제한된다고 말한다.
도 3a에 도시된 바와 같은 광선 다발들(124, 128)의 세트들 각각에 대응하는 68도와 126도 사이의 각도들만큼 대칭 광축(112)으로부터 편향되는 물체들(OBJ)에 대한 스폿 크기들이 제공된다. 이미지 내부 원(125a)에서 이미지 외부 원(125b)으로 연장하는 이미지 평면(122b)으로부터의 대응하는 방사상 이미지 위치(IMA)가 포함된다. 이 실시예에서, 스폿 크기들은 양호하게 약 3 마이크로미터보다 약간 작은 에어리 디스크 직경들 내이다. 결과적으로, 결과 이미지(125)는 회절 제한된다. 바람직한 실시예에 대한 파면 수차들은 최대 시야에 대해 약 0.05 파장 이하이다. 제1 바람직한 실시예의 광학 시스템(111)에 대한 F-스톱은 2.0이다.
도 5a 및 5b는 제1 바람직한 실시예와 기능적으로 동일하지만, 더 큰 이미지(225) 및 이미지(225)와 동일 평면에 있는 더 큰 디지털 이미지 센서(222)를 수용하도록 구성되는 본 발명의 다른 실시예의 수직 단면을 나타낸다. 제2 바람직한 실시예 내의 디지털 이미지 센서(222)는 9.0mm의 직경을 갖는다.
디지털 이미지 센서(222)는 3.2 x 3.2 마이크로미터의 픽셀 크기를 갖는 3.1 메가 픽셀(마이크론 CMOS 센서 MT9T001P12STC), 또는 2.2 x 2.2 마이크로미터의 픽셀 크기를 갖는 5 메가 픽셀(마이크론 CMOS 센서 MT9P031I12STC)을 포함하며, 디지털 이미지 센서(222)는 적어도 이미지 내부 원(225a)과 이미지 외부 원(225b) 사이에 형성된 이미지(225)를 커버하도록 채워진다. 광학 시스템(211)의 제2 바람직한 실시예의 광학 공간 주파수 해상도는 약 280 사이클/mm이다.
도 6은 제2 바람직한 실시예의 포인트 소스 물체들에 대한 이미지 스폿 도면(230)을 나타낸다. 스폿 크기들은 양호하게 약 3 마이크로미터인 에어리 디스크 직경들 내이다. 결과적으로, 이미지(225)는 회절 제한된다. 제2 바람직한 실시예에 대한 파면 수차들은 최대 시야에 대해 0.10 파장 미만이다. 제2 바람직한 실시예의 광학 시스템(211)에 대한 F-스톱은 약 2.0이다.
도 5a를 다시 참조하면, 제1 미러(214)는 그의 정점에서 29.065mm의 곡률 반경, 34.4mm 직경의 제1 미러 중앙 개구(214a) 및 94.3mm의 제1 미러 최대 직경(214b)을 갖는 볼록 포물면 미러를 포함한다. 제2 미러(216)는 4,649.0mm의 곡률 반경, 15.8mm 직경의 제2 미러 중앙 개구(216a) 및 66.2mm의 제2 미러 직경(216b)을 갖는 볼록 비구면 미러를 포함한다. 제3 미러(218)는 613.6mm의 곡률 반경 및 제1 미러 중앙 개구(214a)와 정확하게 동일한 34.4mm의 제3 미러 직경(218a)을 갖는 오목 비구면 미러를 포함한다.
제2 미러(216) 및 제3 미러(218)는 52.8mm의 간격으로 분리된다. 제1 미러의 원단(214c)에서 이미지 평면(222b)까지의 대칭 광축(212)을 따르는 광학 시스템(211)의 길이는 103.2mm이다.
마이크로 투영 렌즈(220)는 제2 미러 중앙 개구(216a) 내에 중심을 갖는다. 마이크로 투영 렌즈(220)는 14.36mm의 포커스 길이, 약 7.6mm의 하드웨어 개구 직경 및 0.25의 개구수(NA)를 갖는다. 제2 바람직한 실시예의 이미지 표면 곡률 반경은 약 14.96mm이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 제3 바람직한 실시예의 수직 단면을 나타낸다. 제3 바람직한 실시예는 제3 미러(318)가 제1 미러 중앙 개구(314a)로부터 변위되어 제2 미러(316)에 더 가깝게 이동된다는 점에서 제1 실시예의 변형이다. 대칭 광축(312)에 대해 측정된 약 70도, 90도 및 110도의 각도들 각각에서의 광선 다발들(324, 326, 328)의 세트가 도 7a에 도시되어 있다. 이미지(325)는 도 3a에 주어진 제1 바람직한 실시예에서의 이미지(125)와 동일한 크기이다.
3-미러 광학 서브시스템(311a)은 제1 미러(314), 제2 미러(316) 및 제3 미러(318)를 포함한다. 제1 미러(314)는 그의 정점에서 약 8.36mm의 포커스 길이 및 42.2mm의 제1 미러 최대 직경(314b)을 갖는 순수 포물면 미러를 포함한다. 제2 미러(316)는 약 258.0mm의 포커스 길이 및 약 35.0mm의 제2 미러 직경을 갖는 오목 고차 비구면 미러를 포함한다. 제3 미러(318)는 약 144.0mm의 포커스 길이를 갖는 오목 고차 비구면 미러를 포함한다.
제3 미러(318)는 제1 미러 중앙 개구(314a) 내에 중심을 갖는다. 제1 미러(314) 및 제2 미러(316)는 26.0mm의 간격으로 분리된다. 제2 미러(316) 및 제3 미러(318)는 27.0mm의 간격으로 분리된다.
이상적인 마이크로 투영 렌즈(320)는 제2 미러 중앙 개구(316a) 내에 중심을 갖는다. 마이크로 투영 렌즈(320)는 약 6.7mm의 포커스 길이를 갖는다. 이미지 표면 곡률 반경은 약 8.5mm이다.
도 8은 제3 바람직한 실시예의 포인트 소스 물체들에 대한 이미지 스폿 도면(330)을 나타낸다. 이미지(325)는 회절 제한된다. 광학 시스템(311)의 제3 바람직한 실시예에 대한 다색 변조 전달 함수(MTF) 곡선들은 200 사이클/mm의 공간 주파수에서 약 0.7의 크기 및 약 400 사이클/mm의 공간 주파수에서 0.4의 크기를 갖는다. 제3 바람직한 실시예의 광학 시스템(311)에 대한 F-스톱은 2.0이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 제4 바람직한 실시예의 수직 단면을 나타낸다. 제4 바람직한 실시예는 제3 미러(418)가 제1 미러 중앙 개구(414a)로부터 변위되어 제2 미러(416)로부터 더 멀리 이동된다는 점에서 제1 실시예의 변형이다. 대칭 광축(412)에 대해 측정된 약 80도, 100도 및 110도의 각도들 각각에서의 광선 다발들(424, 426, 428)의 세트가 도 9a에 도시되어 있다. 이미지(425)는 도 3a에 주어진 제1 바람직한 실시예에서의 이미지(125)와 동일한 크기이다.
3-미러 광학 서브시스템(411a)은 제1 미러(414), 제2 미러(416) 및 제3 미러(418)를 포함한다. 제1 미러(414)는 약 7.0mm의 포커스 길이를 갖는 순수 포물면 미러를 포함한다. 제2 미러(416)는 약 271.0mm의 포커스 길이를 갖는 오목 고차 비구면 미러를 포함한다. 제3 미러(418)는 약 148.0mm의 포커스 길이를 갖는 오목 고차 비구면 미러를 포함한다.
제3 미러(418)는 제1 미러 중앙 개구(414a) 내에 중심을 갖는다. 마이크로 투영 렌즈(420)는 제2 미러 중앙 개구(416a) 내에 중심을 갖는다. 마이크로 투영 렌즈(420)는 제1 미러(414)의 포커스 길이의 절대값과 거의 동일한 약 6.7mm의 포커스 길이를 갖는다. 이미지 표면 곡률 반경(440)은 약 7.4mm이다.
도 10은 제4 바람직한 실시예의 포인트 소스 물체들에 대한 이미지 스폿 도면(430)을 나타낸다. 이미지(425)는 회절 제한된다. 제4 바람직한 실시예에 대한 파면 수차들은 최대 시야에 대해 0.10 파장 미만이다. 이미지(425)는 최대 시야에 대해 10% 미만으로 압축된다. 제4 바람직한 실시예의 광학 시스템(411)에 대한 F-스톱은 2.0이다.
도 11a 및 11b는 본 발명의 제5 바람직한 실시예의 수직 단면을 나타낸다. 제5 바람직한 실시예는 제1 미러(514)가 고차 쌍곡면 미러이고, 제2 미러(516)가 평면 미러이며, 따라서 3-미러 광학 서브시스템(511a) 내에 단지 2개의 비구면 미러(514, 518) 및 하나의 평면 폴딩 미러(516)가 존재한다는 점에서 제1 실시예의 변형이다. 대칭 광축(512)에 대해 측정된 약 79도, 90도 및 126도의 각도들 각각에서의 광선 다발들(524, 526, 528)의 세트가 도 11a에 도시되어 있다. 이미지 원(525)은 도 3a에 주어진 제1 바람직한 실시예에서의 이미지(125)와 동일한 크기이다.
3-미러 광학 서브시스템(511a)은 제1 미러(514), 제2 미러(516) 및 제3 미러(518)를 포함한다. 제1 미러(514)는 약 55.0mm의 제1 미러 최대 직경(514b)을 갖는 고차 쌍곡면 미러를 포함한다. 제2 미러(516)는 약 33.0mm의 제2 미러 직경(516b)을 갖는 평면 미러를 포함한다. 제3 미러(518)는 약 17.5mm의 제3 미러 직경(518a)을 갖는 오목 고차 비구면 미러를 포함한다.
제3 미러(518)는 제1 미러 중앙 개구(514a) 내에 중심을 갖는다. 제1 미러(514) 및 제2 미러(516)는 약 23.9mm의 간격으로 분리된다. 제2 미러(516) 및 제3 미러(518)는 약 26.8mm의 간격으로 분리된다.
이상적인 마이크로 투영 렌즈(520)는 제2 미러 중앙 개구(516a) 내에 중심을 갖는다. 마이크로 투영 렌즈(520)는 약 6.9mm의 포커스 길이를 갖는다. 이미지 표면 곡률 반경(540)은 약 6.35mm이다.
도 12는 제5 바람직한 실시예의 포인트 소스 물체들에 대한 이미지 스폿 도면(530)을 나타낸다. 모든 스폿 이미지들이 에어리 디스크들에 의해 새겨지며, 이미지(525)는 회절 제한된다.
도 13은 교정된 필드 굴곡(550) 및 F-세타 왜곡 또는 이미지 압축(560)에 대한 곡선들을 나타낸다. 시야 에지에서의 이미지 압축률은 1.444이며, 이는 표준 어안 렌즈보다 거의 60% 큰 압축 해제 이미지를 제공한다. 제5 바람직한 실시예의 광학 시스템(511)에 대한 F-스톱은 약 2.0이다.
도 14a 및 14b는 본 발명의 제6 바람직한 실시예의 수직 단면을 나타낸다. 제6 바람직한 실시예는 제1 바람직한 실시예 내의 이상적인 마이크로 투영 렌즈(120)가 개조된 더블 가우스 대물 렌즈인 마이크로 투영 렌즈(620)로 교체된다는 점에서 제1 실시예의 변형이다. 대칭 광축(612)에 대해 약 68도, 90도 및 126도의 각도들 각각에서의 광선 다발들(624, 626, 628)의 세트가 도 14a에 도시되어 있다. 이미지(625)는 도 3a에 주어진 제1 바람직한 실시예에서의 이미지와 동일한 크기이다.
3-미러 광학 서브시스템(611)은 제1 미러(614), 제2 미러(616) 및 제3 미러(618)를 포함한다. 제1 미러(614)는 그의 정점에서 약 6.78mm의 포커스 길이 및 약 43.0mm의 제1 미러 최대 직경(614b)을 갖는 포물면 미러를 포함한다. 제2 미러(616)는 약 1,086.0mm의 포커스 길이 및 약 27.4mm의 제2 미러 직경(616b)을 갖는 비구면 미러를 포함한다. 제3 미러(618)는 약 143.0mm의 포커스 길이 및 약 16.0mm의 제3 미러 직경(618a)을 갖는 오목 비구면 미러를 포함한다.
제3 미러(618)는 제1 미러 중앙 개구(614a) 내에 중심을 갖는다. 제1 미러의 원단(616c)에서 이미지 평면(622b)까지의 대칭 광축(612)을 따르는 광학 시스템(611)의 길이는 약 49.0mm이다.
마이크로 투영 렌즈(620)는 제2 미러 중앙 개구(616a) 내에 중심을 갖는다. 개조된 더블 가우스 대물 렌즈로서 표현되는 마이크로 투영 렌즈(620)는 7개의 렌즈 요소 및 5개의 광학 컴포넌트, 즉 3개의 단일 렌즈(singlet) 및 2개의 이중 렌즈(doublet)를 포함한다. 마이크로 투영 렌즈 직경들은 4.5mm 내지 5.0mm의 범위를 갖는다. 마이크로 투영 렌즈(620)는 약 7.1mm의 포커스 길이를 갖는다.
표준 더블 가우스 대물 렌즈는 6개의 렌즈 요소 및 4개의 광학 컴포넌트, 즉 2개의 내부 이중 렌즈 및 2개의 외부 단일 렌즈를 포함한다. 제6 바람직한 실시예에서 사용되는 개조된 더블 가우스 대물 렌즈를 제공하기 위하여, 표준 더블 가우스 대물 렌즈 내의 제2 내부 이중 렌즈는 2개의 단일 렌즈로 교체되고, 표준 더블 가우스 대물 렌즈 내의 제2 외부 단일 렌즈는 이중 렌즈로 교체된다. 마이크로 투영 렌즈(620)는 고도로 휘어진 포물면 미러(614)에 의해 유발된 필드 굴곡을 교정하며, 그 자신의 내부 수차들을 교정한다.
도 15는 제6 바람직한 실시예의 포인트 소스 물체들에 대한 이미지 스폿 도면(630)을 나타낸다. 광학 시스템(611)의 광학 해상도는 200 사이클/mm보다 낮지 않다. MTF는 이러한 공간 주파수에 대해 0.50이다.
도 16은 교정된 필드 굴곡(650) 및 F-세타 왜곡 또는 이미지 압축(660)에 대한 곡선들을 나타낸다. 이미지(625)의 교정된 필드 굴곡은 최대 시야에 대해 0.015mm-1 이하로 감소된다. 시야 에지에서의 이미지 압축률은 1.292이다. 제6 바람직한 실시예의 광학 시스템(611)에 대한 F-스톱은 2.8이다.
도 17a 및 17b는 본 발명의 제7 바람직한 실시예의 수직 단면을 나타낸다. 제7 바람직한 실시예는 마이크로 투영 렌즈(620)인 개조된 더블 가우스 대물 렌즈가 더 개조된 마이크로 투영 렌즈(720)로 교체된다는 점에서 제6 실시예의 변형이다. 대칭 광축(712)에 대해 측정된 약 68도, 90도 및 126도의 각도들 각각에서의 광선 다발들(724, 726, 728)의 세트가 도 17a에 도시되어 있다. 이미지(725)는 도 3a에 주어진 제1 바람직한 실시예에서의 이미지와 동일한 크기이다.
3-미러 광학 서브시스템(711a)은 제1 미러(714), 제2 미러(716) 및 제3 미러(718)를 포함한다. 제1 미러(714)는 그의 정점에서 약 7.02mm의 포커스 길이 및 약 44.0mm의 제1 미러 최대 직경(714b)을 갖는 포물면 미러를 포함한다. 제2 미러(716)는 약 103.0mm의 포커스 길이 및 약 27.0mm의 제2 미러 직경(716b)을 갖는 볼록 비구면 미러를 포함한다. 제3 미러(718)는 약 123.5mm의 포커스 길이 및 약 16.1mm의 제3 미러 직경(718a)을 갖는 오목 비구면 미러를 포함한다.
제3 미러(718)는 제1 미러 중앙 개구(714a) 내에 중심을 갖는다. 제1 미러(714) 및 제2 미러(716)는 약 22.9mm의 간격으로 분리된다. 제2 미러(716) 및 제3 미러(718)는 약 25.2mm의 간격으로 분리된다. 제1 미러의 원단(716c)에서 이미지 평면(722b)까지의 대칭 광축(712)을 따르는 광학 시스템(711)의 길이는 약 53.0mm이다.
마이크로 투영 렌즈(720)는 제2 미러 중앙 개구(716a) 내에 중심을 갖는다. 더 개조된 더블 가우스 대물 렌즈로서 표현되는 마이크로 투영 렌즈(720)는 7개의 렌즈 요소 및 4개의 광학 컴포넌트, 즉 하나의 단일 렌즈 및 3개의 이중 렌즈를 포함한다. 마이크로 투영 렌즈(720)는 약 8.0mm의 포커스 길이를 갖는다.
도 18은 제7 바람직한 실시예의 포인트 소스 물체들에 대한 이미지 스폿 도면(730)을 나타낸다. 모든 평균 제곱근(RMS) 스폿 직경들은 약 4.2 마이크로미터의 에어리 디스크 직경에 비해 약 3.0 마이크로미터 미만이다. 바람직한 제7 실시예에서의 이미지(725)는 회절 제한되거나 그에 가깝다. 광학 시스템(711)의 광학 해상도는 약 0.50의 MTF에 대해 약 200 사이클/mm 이상이다.
도 19는 교정된 필드 굴곡(750) 및 F-세타 왜곡 또는 이미지 압축(760)에 대한 곡선들을 나타낸다. 시야 에지에서의 이미지 압축은 약 33.7%이다. 제7 바람직한 실시예의 광학 시스템(711)에 대한 F-스톱은 약 2.8이다.
도 17b에 도시된 주요 광선들의 교점은 마이크로 투영 렌즈(720)와 제2 이중 렌즈 사이에 위치하는 마이크로 투영 렌즈(720) 개구의 중심에 있다. 교점은 광학 시스템(711)에 입사하는 광선들을 필터링함으로써 이미지 형성에 중요한 역할을 한다. 제7 바람직한 실시예는 본 발명의 3-미러 서브시스템들로부터 광선 자취들을 분해하기 위해 상이한 마이크로 투영 렌즈 구성들이 이용될 수 있다는 것을 보여준다.
본 발명의 제1 내지 제7 바람직한 실시예들은 이미지들(125-725) 내의 필드 굴곡, 이미지 압축 및 구면 수차를 더 교정하기 위해 그리고 이미지들(125-725)을 언랩핑함으로써 파노라마 투시도를 렌더링하기 위해 이미지 처리 기능들을 이용하여 이미지들(125-725)을 대략적으로 처리하는 것을 더 포함한다. 이미지들(125-725)의 처리는 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, FPGA들, PLA들 및 이들의 조합들 중 적어도 하나에서 제공된다.
일부 실시예들에서, 파노라마 카메라는 전자기 스펙트럼의 하나 이상의 대역에서 입사 광을 수신하도록 구성된다. 예컨대, 파노라마 카메라는 가시 스펙트럼, 근 적외선(IR) 스펙트럼, 중간 및 원 IR 스펙트럼, 자외선 스펙트럼 및 다른 스펙트럼 영역들에서도 동작하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 서브시스템은 다수의 대역에 걸쳐 동작하는 광대역 스펙트럼인 반면, 이미지 센서는 원하는 대역들 중 하나 이상에서의 동작을 위해 선택된다.
본 명세서에서 언급되는 모든 공보, 특허 및 특허 출원들은 각각의 개별 공보, 특허 또는 특허 출원이 구체적으로 그리고 개별적으로 참고 문헌으로 포함되는 것으로 지시된 경우와 동일한 정도로 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된다.
본 발명은 그의 특정 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 추가 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 더욱이, 본 출원은 본 발명이 속하는 분야에 공지되거나 통상적인 실시 내에 있고 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 바와 같은 본 개시로부터의 변형들을 포함하는 본 발명의 임의의 변경들, 용도들 또는 개량들을 커버하는 것을 의도한다.

Claims (32)

  1. 광학 서브시스템을 포함하고,
    상기 광학 서브시스템은
    중앙 개구 및 광축을 정의하는 제1 볼록 비구면 미러;
    중앙 개구를 정의하되 상기 제2 비구면 미러는 상기 제1 볼록 비구면 미러에 대해 상기 광축을 따라 배치된 제2 비구면 미러; 및
    상기 광축을 따라 또는 상기 제1 볼록 비구면 미러의 중앙 개구에 또는 그 근처에 배치되는 제3 비구면 미러를 포함하고,
    상기 매우 넓은 시야각에서의 물체들의 이미지는 이미지 평면 상에 광학 이미지를 캡처한 이미지 센서의 나이퀴스트(Nyquist) 샘플링 기준과 대략 동일하거나 이를 초과하는 광학 해상도를 가지는 한편 상기 이미지 평면에 대해 조정된 이미지를 생성하기 위해 표준 광학 요소에 의해 교정 가능한 매우 넓은 시야각(ultra-wide field of view angle)에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이미지는 mm당 약 40 라인 또는 사이클 쌍 이상의 광학 해상도를 갖는 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 매우 넓은 시야각은 약 250도보다 큰 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 장치는 약 4.0 이하의 F-스톱(F-stop)을 갖는 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 비구면 미러와 상기 제3 비구면 미러의 조합은 광축을 따른 3-미러 광학 서브시스템의 크기를 축소하기 위해 더블 광학 폴딩(double optical folding)을 제공하는 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  6. 제5항에 있어서, 광축을 따른 상기 3-미러 광학 서브시스템의 크기 대 제1 볼록 비구면 미러 직경의 비율이 약 1.1 - 1.2 이하인 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 볼록 비구면 미러의 표면은 포물면, 쌍곡면, 고차 포물면 및 고차 쌍곡면으로 구성되는 표면들의 그룹으로부터 선택되는 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 비구면 미러는 양의 광학 배율, 음의 광학 배율 및 0의 광학 배율로 구성되는 배율들의 그룹으로부터 선택되는 배율을 갖는 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제3 비구면 미러는 오목한 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 표준 광학 요소는 교정 렌즈인 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 교정 렌즈는 마이크로 투영 렌즈를 포함하는 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 교정 렌즈는 복합 렌즈를 포함하는 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 복합 렌즈는 더블 가우스 대물 렌즈 및 수정 더블 가우스 대물 렌즈 중 하나를 포함하는 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 이미지 평면 상에 배치되며 그 위에 생성된 이미지를 수신하도록 구성되는 디지털 이미지 센서를 더 포함하는 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  15. (a) 상기 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체를 볼록 비구면 반사 표면에 의해 반사하여 제1 가상 이미지를 제공하는 단계;
    (b) 상기 제1 가상 이미지를 제2 비구면 미러에 의해 반사하여 제2 이미지를 형성하되, 상기 제1 이미지를 반사하는 단계는 제1 이미지 필드 굴곡 및 제1 이미지 압축 중 하나 이상을 교정하는 단계를 포함하는 단계;
    (c) 상기 제2 이미지를 제3 비구면 미러에 의해 반사하여 제3 이미지를 형성하되, 상기 제2 이미지를 반사하는 단계는 제2 이미지 필드 굴곡 및 제2 이미지 압축 중 하나 이상을 교정하는 단계를 포함하는 단계; 및
    (d) 상기 제3 이미지를 광학 교정 요소에 의해 포커싱하며, 디지털 센서의 나이퀴스트 샘플링 기준과 거의 동일하거나 이를 초과하는 광학 해상도를 갖는 회절 제한된 이미지를 투영하는 단계를 포함하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 회절 제한된 이미지는 편평한 필드에 가까운 잔여 필드 굴곡 및 약 4.0 이하의 F-스톱들에 대한 상기 이미지 센서 평면의 실질적으로 균일한 조명도를 갖는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제3 이미지를 포커싱하는 단계는 제3 이미지 필드 굴곡, 제3 이미지 압축, 제3 이미지 비점 수차, 제3 이미지 코마, 제3 이미지 3차 구면 수차 및 제3 이미지의 더 높은 차수의 구면 수차들의 세트 중 하나 이상을 교정하는 단계를 포함하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제3 이미지를 포커싱하는 단계는 교정 렌즈로 포커싱하는 단계를 포함하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 (b) 및 (c)에서의 교정은 상기 제1, 제2 및 제3 비구면 미러들의 각각에 대해 독립적으로 형상, 직경 및 포커스 길이 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 제3 이미지를 포커싱하는 단계는 상기 교정 렌즈의 복수의 렌즈 요소 중 적어도 하나에 대해 형상, 직경, 포커스 길이 및 굴절률 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 회절 제한된 이미지는 상기 매우 넓은 시야에 대해 약 1.2 내지 1.5 사이의 이미지 압축률을 포함하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  22. 제15항에 있어서, 상기 회절 제한된 이미지는 40 사이클/mm와 대략 동일하거나 이보다 높은 공간 주파수에 대해 약 0.30과 대략 동일하거나 이보다 높은 다색 변조 전달 함수(MTF)를 갖는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  23. 제15항에 있어서, 상기 회절 제한된 이미지를 디지털 이미지 센서로 캡처하는 단계를 더 포함하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 캡처된 이미지를 이미지 처리 함수로 처리하며 상기 회절 제한된 이미지를 더 교정하는 단계를 더 포함하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 회절 제한된 이미지를 캡처하는 단계는 가시 대역, UV 대역, IR 대역 중 적어도 하나에서 이미지를 캡처하는 단계를 포함하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  26. 제15항에 있어서, 상기 매우 넓은 시야는 전방향성이며 상기 광축과 직교하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 매우 넓은 시야는 상기 광축을 따라 약 250도 이상이며 중앙 차단 영역을 갖는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 차단 영역은 상기 광축으로부터 측정된 약 68도 이하로 확장하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  29. 제16항에 있어서, 상기 4.0 이하의 F-스톱들은 초당 100 프레임(100 FPS) 이상의 프레임 레이트들로의 비디오 기록을 수용하기에 충분한 짧은 노출 시간들을 제공하는 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체의 이미지를 이미지 센서 평면 상에 투영하는 방법.
  30. 상기 매우 넓은 시야에서 하나 이상의 물체를 볼록 비구면 반사 표면에 의해 반사하여 제1 가상 이미지를 제공하기 위한 수단;
    상기 제1 가상 이미지를 제2 비구면 미러에 의해 반사하여 제2 이미지를 형성하되, 상기 제1 이미지의 반사는 제1 이미지 필드 굴곡 및 제1 이미지 압축 중 하나 이상의 교정을 포함하는 수단;
    상기 제2 이미지를 제3 비구면 미러에 의해 반사하여 제3 이미지를 형성하되, 상기 제2 이미지의 반사는 제2 이미지 필드 굴곡 및 제2 이미지 압축 중 하나 이상의 교정을 포함하는 수단; 및
    상기 제3 이미지를 광학 교정 요소에 의해 포커싱하며, 이미지 검출기의 나이퀴스트 샘플링 기준과 거의 동일하거나 이를 초과하는 광학 해상도를 갖는 회절 제한된 이미지를 투영하기 위한 수단을 포함하는 매우 넓은 시야각에서 물체들의 이미지를 생성하기 위한 장치.
  31. 광축을 따라 배치된 볼록 비구면 미러;
    상기 광축을 따라 또한 배치된 적어도 하나의 다른 비구면 미러;
    이미지 평면에 배치된 이미지 검출기; 및
    상기 볼록 비구면 미러 및 상기 적어도 하나의 다른 비구면 미러의 각각에 의해 적어도 한 번 반사된 광선들을 수신하며 상기 이미지 평면 상에 이미지 검출기의 나이퀴스트 샘플링 기준과 대략 동일하거나 이를 초과하는 광학 해상도를 갖는 이미지를 생성하는 광학 교정 요소를 포함하는 매우 넓은 시야를 캡처하는 파노라마 카메라.
  32. 제31항에 있어서, 약 4.0 이하의 F-스톱을 갖는 파노라마 카메라.
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