KR20170067767A - 컴팩트 파노라마 카메라: 광학 시스템, 장치, 이미지 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
360도 수평 및 넓은 수직 시야를 감지하기 위한 방법, 장치 및 광학 시스템이 도시된다. 강력한 광학 기술은 이미지 센서에 고해상도 압축 해제된 이미지를 생성한다. 컴팩트 파노라마 카메라는 2 개의 주요 광학 컴포넌트들을 포함한다. (i)특정 이미지 압축을 가지는 360도 파노라마 장면의 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 제공할 수 있는 반사 굴절 광학 요소로 통합된 축 대칭 볼록한 비구면 리플렉터 및 (ii) 하드웨어 조리개를 가진 압축 해제 렌즈. 압축 해제 렌즈는 3 개의 단일 렌즈 요소로 구성되어 있고, 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 수용하고 이를 고 광학 해상도 및 포물선 이미지 압축 해제와 함께 이미지 센서로 투사하여 동시에 높은 디지털 해상도를 달성한다. 압축 해제 렌즈의 또 다른 버전은 단일 렌즈 요소로만 구성되어 고해상도 압축 해제 이미지를 이미지 센서로 투사한다.
Description
본 발명은 컴팩트 파노라마 카메라, 광학 시스템, 장치 및 이미지 형성 방법에 관한 것이다.
본 출원은 그 전문이 본원에 참조로 인용된 2014년 9월 15일자로 출원된 미국 가출원 제 62/050,725 호의 우선권과 이익을 주장한다.
다양한 굴절 및 반사 광학 컴포넌트들을 사용하는 많은 파노라마 이미징 카메라들(panoramic imaging cameras) 및 광학 시스템이 있다. 광각 지속적인 시각 이미징의 공간(The space of wide angle persistent visual imaging)은, 단일 카메라 시스템들(예를 들어, 피시아이(fisheye) 및 반사 굴절(catadioptric) 시스템들) 및 다중 카메라 시스템들로 분할될 수 있다. 단일 카메라 시스템들은 필드 압축 함수(field compression function)의 형태로 시각 필드(visual field)에 왜곡(distortion)을 도입하여 일반적인 시야보다 넓게 볼 수 있다. 하나의 방법은, 카메라 주변의 넓은 주사폭(swath)을 획득하기 위해, 넓은 시야의 굴절-전용 광학계(예를 들어 피시아이 렌즈)를 사용한다. 굴절-전용 광학계(refractive-only optics)는 시야의 모든 지점에서 균일한(또는 최소) 품질을 유지할 때 고유한 문제를 제기한다. 이것은 굴절에 의해서만 제공되는 필드-압축 방법이 매우 제한적이기 때문이다. 동시에, 피시 아이 렌즈들의 필드 압축 함수는 계산 상 복잡하고 가역적이지 않다. 렌즈들 만으로의 필드 압축은 중량에 있어서 큰 불편(toil)을 가져온다. 고-밀도 메니스커스 렌즈들(high-refractive dense meniscus lenses)의 필요성은 반사 굴절 시스템에 비해 시스템의 무게가 10 배 가까이(order of magnitude) 증가될 수 있다.
반사 굴절 광학 시스템들은 하나 이상의 오목한 및/또는 볼록한 미러들(concave and/or convex mirrors) 및 일반적으로 미러들 뒤에 배치되는 하나 이상의 굴절 렌즈 요소들을 포함할 수 있다. 이러한 광학 시스템들은 초-광각 시야(super-wide-angles field of view)를 달성하기 위해 개발되었고, 이 방법으로 광범위한(wide range) 필드 압축 함수들(field compression functions)이 가능할 수 있다.
일 실시 예는, 대칭의 회전 축을 갖는 360도 시야를 감지하기 위한 컴팩트 파노라마 카메라에 관한 것이다. 컴팩트 파노라마 카메라는 볼록한 리플렉터(convex reflector), 하드웨어 조리개(hardware aperture) 및 압축 해제 렌즈(decompression lens)를 포함한다. 볼록한 리플렉터는, 축 대칭 비구면 표면(axially symmetric aspheric surface)을 갖는다. 볼록한 리플렉터는 특정 이미지 압축과 함께 360도 파노라마 장면(scene)의 가상 만곡된 및 압축된 이미지(virtual curved and compressed image)를 제공하도록 구성된다. 하드웨어 조리개는 감지 이미지들의 장래의 매핑(prospective mapping)을 위해 바람직한 컴팩트 물체 공간 관점(desirable compact object space viewpoint)을 제공하도록 볼록한 리플렉터로부터 직접 반사된 광선들 이외의 광선들을 필터링(filter out) 하도록 구성된다. 하드웨어 조리개는 볼록한 리플렉터의 기하학적 초점(geometrical focus)에 또는 부근에서 볼록한 리플렉터와 이격되어 배치된다. 압축 해제 렌즈는 하드웨어 조리개에 의해 필터링된 가상 만곡된 압축된 이미지를 수용하도록 배치된다. 압축 해제 렌즈는 가상 만곡된 압축된 이미지를 고 광학 해상도(high optical resolution) 및 포물선 이미지 압축 해제(parabolic image decompression)를 이용하여 실제 이미지(real image)로 압축 해제하고, 실제 이미지를 이미지 센서(image sensor) 상에 투사하도록 구성된다. 이미지 센서는 360도 파노라마 장면의 압축 해제 렌즈에 의해 투사되는 실제 이미지를 수용하도록 배치된다.
다른 실시 예는, 이미지 센서를 갖는 컴팩트 파노라마 카메라를 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 볼록한 리플렉터 및 압축 해제 렌즈를 포함한다. 볼록한 리플렉터는 비-포물선(non-parabolic) 이미지 압축(image compression)을 이용하여 파노라마 장면의 가상 만곡된 압축된 이미지를 제공하는 축 대칭 비구면 표면을 갖는다. 압축 해제 렌즈는 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 수용하도록 배치된다. 압축 해제 렌즈는 가상 만곡된 압축된 이미지를 고 광학 해상도 및 포물선 이미지 압축 해제를 이용하여 실제 이미지로 압축 해제하고, 실제 이미지를 이미지 센서상에 투사하도록 구성된다.
또 다른 실시 예는 고 해상도(high resolution)로 이미지를 압축 및 압축 해제하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 반사 굴절 광학 요소에 의해 장면으로부터 광선 번들들(light rays bundle)을 수용하는 단계; 비-포물선 압축을 이용하여 상기 광선 번들들을 상기 반사 굴절 광학 요소에 의해 가상 만곡된 및 압축된 이미지로 압축하는 단계; 상기 반사 굴절 광학 요소에 의해, 상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 하드웨어 조리개로 반사하는 단계; 상기 반사 굴절 광학 요소에 의해 반사되는 광선 이외의 광선들을 상기 하드웨어 조리개에 의해 필터링 하는 단계; 압축 해제 렌즈에 의해, 상기 하드웨어 조리개로부터 상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 수용하는 단계; 상기 압축 해제 렌즈에 의해, 상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 실제 이미지로 압축 해제하는 단계; 상기 압축 해제 렌즈에 의해, 상기 실제 이미지를 이미지 센서로 투사하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시 예는 반사 굴절 광학 시스템에서 비-포물선 미러 및 이미지 센서와 함께 사용하기 위한 압축 해제 렌즈에 관한 것이다. 압축 해제 렌즈는 비-포물선 미러로부터 비-포물선 압축 포맷으로 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 수용하도록 위치되는 적어도 하나의 렌즈 요소를 포함한다. 하나 이상의 렌즈 요소는, 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 고 광학 해상도 및 압축 해제의 포물선 유형을 갖는 실제 이미지로 압축 해제 하도록 구성되고 상기 실제 이미지를 이미지 센서로 투사한다.
본 발명의 실시 예들의 장점들 및 특징들은 첨부된 도면들과 관련하여 본 예시적인 실시 예들의 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 컴팩트 파노라마 카메라의 광학 시스템 레이아웃을 나타낸다.
도 2a 및 2b는 예시적인 실시 예에 따른 이미지 압축 및 압축 해제 방법의 개략적인 흐름도를 나타낸다.
도 3은 이상적인 볼록한 포물선 미러 기반 반사 굴절 광학을 나타낸다.
도 4는 도 3의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
도 5는 이상적인 반사 굴절 광학계의 이상적인 렌즈를 가진 볼록한 쌍곡선 미러를 나타낸다.
도 6은 도 5의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
도 7은 예시적인 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
도 8은 일 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 다색 회절(polychromatic diffraction) MTF의 그래프를 나타낸다.
도 9는 일 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 수평한 지점들에 대한 다색 회절(polychromatic diffraction) MTF의 그래프를 나타낸다.
도 10은 예시적인 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 회절 인스퀘어된 에너지(diffraction ensquared energy)의 그래프를 나타낸다.
도 11는 일 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 다색 호이겐스(polychromatic Huygens) MTF의 그래프를 나타낸다.
도 12는 일 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 수직 시야를 가로지르는 상대 조도(relative illumination)의 그래프를 나타낸다.
도 13은 일 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 12 개의 수직 시점들에 대한 이미지 스팟 다이어그램(image spot diagram)을 나타낸다.
도 14는 예시적인 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 측 방향 컬러(lateral color) 그래프를 나타낸다.
도 15는 예시적인 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 순간 시야(instantaneous field of view, IVOF)의 그래프를 나타낸다.
도 16은 일 실시 예에 따른 파노라마 카메라의 시스템 블록도를 나타낸다.
도 17은 다른 실시 예에 따른 원통형 윈도우가 사용되는 대안적인 미러 장착을 나타낸다.
도 18은 제 3 실시 예에 따라, 중앙 스트럿(central strut) 및 아크릴 플레이트(acrylic plate)가 사용하는 대안적인 미러 장착을 나타낸다.
도 19는 제 4 실시 예에 따라, 아크릴 절두된 원뿔 윈도우(acrylic truncated cone window)에 의해 보호되는 아크릴 플레이트 및 중앙 스트럿이 사용되는 대안적인 미러 장착을 나타낸다.
도 20은 제 5 실시 예에 따라, 하우징(housing), 후드(hood), 스파이크(spike) 및 다이어프램(diaphragm)을 갖는 대안적인 광학 시스템 레이아웃이다.
도 21은 제 6 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(수평선(horizon)으로부터 30도 위로 및 50도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 22는 제 7 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(수평선으로부터 40도 위로 및 40도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 23은 제 8 실시 예에 따라, EVFOV가 85도(수평선으로부터 45도 위로 및 40도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 24는 제 9 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(대안적인 형상을 가진 COE 및 수평선으로부터 40도 위로 및 40도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 25는 제 10 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(중앙 스파이크, 하우징, 보호 원뿔 윈도우 및 광 트랩 다이어프램과 함께 수평선으로부터 40도 위로 및 40도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 26은 제 11 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(수평선으로부터 15도 위로 및 65도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 27은 제 11 실시 예에 따라, 도 26의 배치에 대한 12 개의 수직 시점에 대한 다색 회절 MTF의 그래프를 나타낸다.
도 28은 제 11 실시 예에 따라, 도 26의 배치에 대한 회절 인스퀘어된 에너지의 그래프를 나타낸다.
도 29는 제 11 실시 예에 따라, 도 26의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 스팟 다이어그램의 이미지를 나타낸다.
도 30은 제 11 실시 예에 따라, 도 26의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
도 31은 제 12 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(수평선으로부터 15도 위로 및 65도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 32는 제 12 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 다색 회절 MTF의 그래프를 나타낸다.
도 33은 제 12 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 회절 인스퀘어된 에너지의 그래프를 나타낸다.
도 34는 제 12 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 스팟 다이어그램의 이미지를 나타낸다.
도 35은 제 12 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
도 36는 제 13 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 다색 회절 MTF의 그래프를 나타낸다.
도 37은 제 13 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 회절 인스퀘어된 에너지의 그래프를 나타낸다.
도 38는 제 13 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 스팟 다이어그램의 이미지를 나타낸다.
도 39는 제 13 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
도 2a 및 2b는 예시적인 실시 예에 따른 이미지 압축 및 압축 해제 방법의 개략적인 흐름도를 나타낸다.
도 3은 이상적인 볼록한 포물선 미러 기반 반사 굴절 광학을 나타낸다.
도 4는 도 3의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
도 5는 이상적인 반사 굴절 광학계의 이상적인 렌즈를 가진 볼록한 쌍곡선 미러를 나타낸다.
도 6은 도 5의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
도 7은 예시적인 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
도 8은 일 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 다색 회절(polychromatic diffraction) MTF의 그래프를 나타낸다.
도 9는 일 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 수평한 지점들에 대한 다색 회절(polychromatic diffraction) MTF의 그래프를 나타낸다.
도 10은 예시적인 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 회절 인스퀘어된 에너지(diffraction ensquared energy)의 그래프를 나타낸다.
도 11는 일 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 다색 호이겐스(polychromatic Huygens) MTF의 그래프를 나타낸다.
도 12는 일 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 수직 시야를 가로지르는 상대 조도(relative illumination)의 그래프를 나타낸다.
도 13은 일 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 12 개의 수직 시점들에 대한 이미지 스팟 다이어그램(image spot diagram)을 나타낸다.
도 14는 예시적인 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 측 방향 컬러(lateral color) 그래프를 나타낸다.
도 15는 예시적인 실시 예에 따라, 도 1의 배치에 대한 순간 시야(instantaneous field of view, IVOF)의 그래프를 나타낸다.
도 16은 일 실시 예에 따른 파노라마 카메라의 시스템 블록도를 나타낸다.
도 17은 다른 실시 예에 따른 원통형 윈도우가 사용되는 대안적인 미러 장착을 나타낸다.
도 18은 제 3 실시 예에 따라, 중앙 스트럿(central strut) 및 아크릴 플레이트(acrylic plate)가 사용하는 대안적인 미러 장착을 나타낸다.
도 19는 제 4 실시 예에 따라, 아크릴 절두된 원뿔 윈도우(acrylic truncated cone window)에 의해 보호되는 아크릴 플레이트 및 중앙 스트럿이 사용되는 대안적인 미러 장착을 나타낸다.
도 20은 제 5 실시 예에 따라, 하우징(housing), 후드(hood), 스파이크(spike) 및 다이어프램(diaphragm)을 갖는 대안적인 광학 시스템 레이아웃이다.
도 21은 제 6 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(수평선(horizon)으로부터 30도 위로 및 50도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 22는 제 7 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(수평선으로부터 40도 위로 및 40도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 23은 제 8 실시 예에 따라, EVFOV가 85도(수평선으로부터 45도 위로 및 40도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 24는 제 9 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(대안적인 형상을 가진 COE 및 수평선으로부터 40도 위로 및 40도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 25는 제 10 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(중앙 스파이크, 하우징, 보호 원뿔 윈도우 및 광 트랩 다이어프램과 함께 수평선으로부터 40도 위로 및 40도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 26은 제 11 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(수평선으로부터 15도 위로 및 65도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 27은 제 11 실시 예에 따라, 도 26의 배치에 대한 12 개의 수직 시점에 대한 다색 회절 MTF의 그래프를 나타낸다.
도 28은 제 11 실시 예에 따라, 도 26의 배치에 대한 회절 인스퀘어된 에너지의 그래프를 나타낸다.
도 29는 제 11 실시 예에 따라, 도 26의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 스팟 다이어그램의 이미지를 나타낸다.
도 30은 제 11 실시 예에 따라, 도 26의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
도 31은 제 12 실시 예에 따라, EVFOV가 80도(수평선으로부터 15도 위로 및 65도 아래로)인 컴팩트 파노라마 카메라를 나타낸다.
도 32는 제 12 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 다색 회절 MTF의 그래프를 나타낸다.
도 33은 제 12 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 회절 인스퀘어된 에너지의 그래프를 나타낸다.
도 34는 제 12 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 스팟 다이어그램의 이미지를 나타낸다.
도 35은 제 12 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
도 36는 제 13 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 다색 회절 MTF의 그래프를 나타낸다.
도 37은 제 13 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 회절 인스퀘어된 에너지의 그래프를 나타낸다.
도 38는 제 13 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 스팟 다이어그램의 이미지를 나타낸다.
도 39는 제 13 실시 예에 따라, 도 31의 배치에 대한 필드 곡률 및 왜곡 그래프를 나타낸다.
일반적으로 도면을 참조하면, 광학 시스템, 장치들 및 이미지 형성 방법들을 갖는 컴팩트 파노라마 카메라가 도시된다. 다음의 명세서에 제시된 시스템은 강력한 광학 및 고해상도 이미징을 갖는 컴팩트 (즉, 소형화 된) 파노라마 카메라를 제공하는데 사용될 수 있다. 컴팩트 카메라의 전체 볼륨이 3 입방 인치 이하임을 의미할 수 있다. 강력한 광학은 카메라가 f/2.8 또는 그 이상의 광학 조리개를 구비하는 것을 의미한다. 고해상도 이미징은 카메라가 150cy/mm에 대해 30% 이상인 다색 회절(polychromatic diffraction) 변조 전달 함수(modulation transfer function, MTF)를 가질 수 있음을 의미한다. 다양한 품질, 치수, 배율 레벨 및 해상도 레벨이 다양한 예시에 따라 제공될 수 있다. 청구항들은 청구항들에서 명시적으로 제한되지 않는 한 특정한 크기, 배율 또는 해상도로 제한되지 않는다. 이 기술은 원경 화상 회의, 로보틱스 비전, 무인 차량, 의료 내시경 또는 생체 영상 이미징을 획득하는 것이 중요할 수 있는 기타 유사한 응용 분야들에 적합하다.
컴팩트 파노라마 카메라 광학에는 2개의 주요 광학 컴포넌트들을 포함한다. 제 1 광학 컴포넌트(The first optical component)는 반사 굴절 광학 요소(catadioptric optical element, COE)이다. 일 실시 예에 따르면, COE는 제 1 굴절 표면(refractive surface) 및 제 2 굴절 표면 사이의 굴절 렌즈로 통합된 볼록한 리플렉터를 포함한다. 그 결과, COE는 3 개의 광학 표면들: 즉 2 개의 굴절(refractive, dioptric) 표면과 1 개의 반사(reflective, catoptric) 표면을 갖는다. 제 2 광학 컴포넌트는 압축 해제 렌즈이다. 일 실시 예에 따르면, 압축 해제 렌즈는 각각 비구면 광학 표면들을 갖는 적어도 하나의 렌즈 요소(예를 들어, 하나의 렌즈 요소, 3 개의 단일 렌즈 요소들(단일체) 등)로 만들어 진다. 이러한 디자인에 있어서, 컴팩트 비구면 주 미러 구조(compact aspheric primary mirror structure), 필드 곡률(field curvature) 보정(correction)으로 인한 평평한(flat) 이미지 표면 필드 및 포물선 압축 해제(parabolic decompression)로의 비구면 이미지 압축(aspheric image compression)이 모두 달성될 수 있다. 이들 모두는 총 2 개의 플라스틱 재료로 만들어지고, 고해상도 이미지를 제공할 수 있는 최대 4 개의 광학 요소들을 포함하는 강력한 광학 시스템을 갖춘 컴팩트 파노라마 카메라를 만들 수 있다. 미러 설계는 이전에 설계된 미러의 3 분의 1 이상으로 직경을 축소할 수 있고, 카메라 볼륨을 다른 시스템의 10 분의 1로 줄일 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예데 따른, 컴팩트 파노라마 카메라의 광학 시스템 레이아웃이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 예시적인 실시 예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 시스템(optical system, 10)은 2 개의 주요 광학 컴포넌트들, 즉 반사 굴절 요소(COE, 14) 및 압축 해제 렌즈(23)를 포함한다. 광학 시스템(10)은 하드웨어 조리개(22), 커버 글래스(30) 및 이미지 센서(32)를 더 포함할 수 있다. 광학 시스템(10)의 모든 광학 요소들은 대칭 축(axis of symmetry)인 수직 광학 축(vertical optical axis, 12)에 대해 중심에 도시된다. 도 1 에 도시된 예시적인 실시 예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, COE(14)는 3 개의 광학 표면, 즉 제 1 굴절 표면(16)으로 도시된 제 1 광학 표면, 볼록한 리플렉터(18)로 도시된 제 2 광학 표면 및 제 2 굴절 표면(20)으로 도시된 제 3 광학 표면을 포함한다. 일 실시 예에서, 제 1 굴절 표면(16)은 타원형(ellipsoidal) 굴절 표면(즉, 타원형 렌즈)으로 구성된다. 구형 표면(spherical surface)의 타원 표면의 이점은, 평평한 배럴 엣지(barrel edge, 15)일 수 있고, 이는 COE(14) 를 구성하는데 사용되는 제조 방법이 플라스틱 몰딩인 경우, COE(14)가 몰드 형태로부터 비교적 쉽게 제거되도록 허용할 수 있다. 다른 실시 예에서, 제 1 굴절 표면(16)은 다른 형상(예를 들어, 구형(spherical), 쌍곡선(hyperbolic), 포물선(parabolic) 또는 고차 비구면(high order aspheric) 등)이다. 일 실시 예에서, 볼록한 리플렉터(18)는 볼록한 쌍곡선 표면(convex hyperbolic surface)을 갖는다. 다른 실시 예에서, 볼록한 리플렉터(18)는, 다른 형상(예를 들어, 고차 비구면 형상, 구형, 포물선 형상 등)을 갖는다. 일 실시 예에서, 제 2 굴절 표면(20)은 구형 굴절 표면(spherical refractive surface, 즉 구형 렌즈)이다. 다른 실시 예에서, 제 2 굴절 표면(20)은 다른 형상(예를 들어, 구형, 쌍곡선, 포물선 등)을 갖는다.
일 실시 예에 따르면, COE(14)는 최대 32.4 mm의 직경 및 마이너스 5.0mm의 초점길이를 갖는다. 따라서, 광학 시스템(10)은 볼록한 리플렉터(18)의 뒤에 위치된 (즉, 음의 초점거리에 의해 표시되는) 물체 공간 지점들(object space points)의 가상 굴곡된 및 압축된 이미지(19, virtual curved and compressed image)를 생성할 수 있다. 다른 실시 예에서, COE(14)의 직경 및 초점 길이는 다른 크기 및 길이(예를 들어, 30mm의 직경 및 3.5mm의 초점 길이)이다. 평평한 배럴 엣지(15)와 같은 COE(14)의 다른 표면들은 카메라 하우징(미도시) 및/또는 압축 해제 렌즈(23)내에 COE(14)를 장착하는데 용이하게 사용될 수 있는 기계적 표면들(mechanical surfaces)이다.
도 1에 도시된 예시적인 실시 예에 따르면, 압축 해제 렌즈(23)는 3 개의 렌즈 요소들 즉, 제 1 네거티브 렌즈 요소(24, first negative lens element)로 도시된 제 1 렌즈 요소, 포지티브 렌즈 요소(26, positive lens element)로 도시된 제 2 렌즈 요소 및 제 2 네거티브 렌즈 요소(28)로 도시된 제 3 렌즈 요소를 포함한다. 다른 실시 예에서, 압축 해제 렌즈(23)는 적어도 하나의 렌즈 요소들(예를 들어, 한 개, 두 개 등)을 포함한다. 일 실시 예에 따르면, 제 1 네거티브 렌즈 요소(24)는 적어도 하나의 고차 비구면 표면(high order aspheric surface)을 갖는다. 제 1 네거티브 렌즈 요소(24)의 고차 비구면 표면(들)은 음의 광학 배율을 가지고, 광선들의 번들들(bundles of rays)을 확장시키고, 필드 수차들을 부분적으로 보정하도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에서, 제 1 네거티브 렌즈 요소(24)의 초점 길이는 마이너스 5.6mm 이다. 다른 실시 예에서, 제 1 네거티브 렌즈 요소(24)의 초점 길이는 이보다 더 크거나, 작거나, 포지티브인 것 중 하나 이상의 특징을 갖는다. 일 실시 예에 따르면, 포지티브 렌즈 요소(26)는 상대적으로 강한 포지티브 광학 배율을 갖는 고차 비구면 표면들을 갖는다. 포지티브 렌즈 요소(26)의 고차 비구면 표면들은 광선들의 번들들을 수렴시키고 필드 수차를 부분적으로 보정하도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에서, 포지티브 렌즈 요소(26)의 초점 길이는 3.9mm 이다. 다른 실시 예에서, 포지티브 렌즈 요소(26)의 초점 거리는 더 크거나, 더 작거나, 또는 네거티브 인 것 중 적어도 하나의 특징을 갖는다. 일 실시 예에 따르면, 제 2 네거티브 렌즈 요소(28)는 고차 비구면 표면들을 갖는다. 제 2 네거티브 렌즈 요소(28)가 이미지 센서(32)에 매우 근접하게 있기 때문에, 제 2 네거티브 렌즈 요소(28)의 비구면 표면들은, 제 1 네거티브 렌즈 요소(24) 및 포지티브 렌즈 요소(26)의 비구면 표면들과 협력을 통해 이미지 압축, 필드 곡률 및 잔여 필드 수차를 효과적으로 보정할 수 있다. 일 실시 예에서, 제 2 네거티브 렌즈 요소(28)은 마이너스 3.2mm의 초점 길이를 갖는 음의 광학 배율을 갖도록 구성된다. 다른 실시 예에서, 초점 길이는 더 크거나, 더 작거나, 또는 네거티브 인 것 중 적어도 하나의 특징을 갖는다.
압축 해제 렌즈(23)의 렌즈 요소(들)은 플라스틱 성형 기술을 사용하는 플라스틱 재료로부터 효과적인 비용으로 제조될 수 있다. 제 1 네거티브 렌즈 요소(24) 및 제 2 네거티브 렌즈 요소(28)은 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리카보네이트(Polycarbonate) 및 렉소라이트(Rexolite) 중 적어도 하나와 같은 고 분산 플라스틱 재료들(high dispersion plastic materials)로부터 제조될 수 있다. 예시적인 실시 예에 따르면, 고 분산 플라스틱 재료들에 대한 아베 수(Abbe number)는 대략 30이다. 다른 실시 예에서, 고 분산 플라스틱 재료의 아베 수는 광학 시스템(10)의 적용에 기초하여 변화한다(예를 들어, 30보다 크거나 작음). 포지티브 렌즈 요소(26) 및 COE(14)는 아크릴(Acrylic), PMMA 및 지오넥스(Zeonex) 중 적어도 하나와 같은 저 분산 광학 플라스틱 재료들(low dispersion optical plastic materials)로 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 저 분산 광학 플라스틱 재료들의 아베 수는 60보다 약간 작다. 다른 실시 예에서, 아베 수는 광학 시스템(10)의 적용에 기초하여 변화한다(예를 들어, 60보다 크거나 작음). 색수차(Chromatic aberrations, 종 방향(longitudinal) 및 측 방향 컬러)는 청색 라인 455 nm에서 적색 라인 644 nm까지의 파장 범위에서 이러한 종류들의 광학 재료들을 사용하여 보정될 수 있다. 이 특정 실시 예(도 14 참조)로 수행될 수 있는 광각 광학(wide-angle optics)에서 측 방향 컬러(lateral color)를 제거하는 것이 중요하다. 컬러 보정을 더 향상시키기 위해, 제 1 네거티브 렌즈 요소(24)의 제 1 표면은 대략 680 나노미터(nm) 또는 그 이상의 파장으로 시작하는 광을 차단하는 박막 적외선(IR) 차단 필터(thin film infrared cut-off filter)로 코팅될 수 있다. IR 필터 코팅의 또 다른 이점은, 시스템(10)에 필요한 광학 요소들의 숫자를 감소시키는 것이다. IR 코팅이 없으면, 광학 시스템(10)은 이미지 센서(32)의 전면에 배치되는 추가적인 필터를 요구할 수 있다. 다른 실시 예에서, 압축 해제 렌즈(23)의 하나 이상의 렌즈 요소들 및/또는 COE(14)의 하나 이상의 광학 표들은, 플라스틱 재료들(예를 들어, 글래스 등) 이외의 물질로 제조된다.
일 실시 예에 따르면, 압축 해제 렌즈(23)의 유효 초점 길이(effective focal length)는 6.2mm이다. 다른 실시 예에서, 초점 길이는 상이하다(즉, 상이한 반사 굴절 광학 요소들에 의해 투사되는 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 수용하도록 상이하게 구성된다.)(예를 들어, COE(14)의 구조에 기초하여 보다 길고, 짧음). 다른 실시 예에서 있어서, 압축 해제 렌즈(23)는 총 하나 이상의 비구면 표면들을 갖는 하나 이상의 렌즈 요소들로 구성된다(예를 들어, 하나의 렌즈, 두개의 렌즈, 네 개의 렌즈 등).
도 1에 도시된 바와 같이, 하드웨어 조리개(22)는 COE(14)의 뒤쪽 및 압축 해제 렌즈(23)의 전방에 위치된다(즉, COE(14) 및 압축 해제 렌즈(23) 사이). 일 실시 예에 있어서, 하드웨어 조리개(22)는 볼록한 리플렉터(18)의 기하학적 초점에 또는 그 부근에 위치되도록 COE(14)로부터 이격되어 위치된다. 예시적인 실시 예에 따르면, 하드웨어 조리개(22)는 광학 이미지 형성(optical image formation)을 보조하도록 구성된다; 광학 시스템(10)을 위한 입사동(entrance pupil) 및 출사동(exit pupil)을 특정하고, 물체 지점들(object points)로부터 광선 번들들(34)을 필터링 함(예를 들어, 볼록한 리플렉터(18)에 의해 반사되는 광선들 이외의 광선들을 필터링하여). 예시적인 실시 예에 따르면, 커버 글래스(30)는 실제 광학 이미지(예를 들어, 고 해상도 압축 해제 이미지, 등)가 형성되는 이미지 센서(32)의 표면을 보호하도록 구성된다. 일 실시 예에서, 이미지 센서 (32)는 평평한 (즉, 2 차원(2D)) 감지 표면(sensing surface)이다. 다른 실시 예에서, 이미지 센서 (32)는 만곡되어있다 (즉 3 차원 (3D)) (도 31 참조). 고해상도 압축 해제 이미지가 이미지 센서(32)로 형성되는 프로세스는 본원에서 보다 충분히 설명된다.
일 실시 예에 따르면, 광학 시스템(10)의 전체 길이는 60 mm이다. 다른 실시 예에서, 광학 시스템(10)의 전체 길이는 COE(14) 및/또는 압축 해제 렌즈(23)의 구조 및 치수 품질의 선택에 기초하여 증가 또는 감소한다. 예시적인 실시 예 따른 광학 시스템(10)의 유효 수직 시야(effective vertical field of view, EVFOV)는 70도(수평선(horizon)으로부터 15도 위로, 55도 아래로)이다. 다른 실시 예들에서 EVFOV는 수평선으로부터의 상하로의 각도의 다양한 가능성과 함께 70도 및 90도 사이의 범위를 가진다(예를 들어, EVFOV는 80도: 수평선으로부터 30도 위로 및 50도 아래로, EVFOV는 80도 수평선으로부터 40도 위로 및 40도 아래로, EVFOV는 85도 수평선으로부터 45도 위로 및 40도 아래로). 또 다른 실시 예에서, 광학 시스템(10)의 EVFOV는 70도 미만이다. 광학 시스템(10)의 수평 시야는 수직 광학 축(12)에 대한 수평 시야(horizontal field of view)는, 수직 광학 축(12)에 대한 광학 시스템(10)의 축 대칭의 경과로서 최대 360도 일 수 있다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 예시적인 실시 예에 따라 고해상도의 이미지를 압축 및 해제하는 방법(200)이 도시되어 있다. 일 실시 예에서, 방법(200)은, 도 1의 광학 시스템(10)으로 구현될 수 있다. 따라서, 방법(200)은 도 1과 관련하여 기술될 수 있다.
프로세스(202)에서 관심 있는 장면이 선택된다. 예를 들어, 광학 시스템(10)을 갖는 컴팩트 파노라마 카메라는 화상 회의 목적을 위해 회의실에서 회의의 참석자들 및/또는 회의의 의원들을 향할 수 있고, 로보틱스 경쟁(robotics competition)에서 코스의 탐색을 보조하기 위해 로봇 장치의 눈으로서 사용될 수 있고, 또는 강력한 광학 및 고해상도 이미징 함수를 갖춘 컴팩트 파노라마 카메라가 필요하거나 혜택을 받을 수 있는 기타 다른 구현들에서 사용될 수 있다. 프로세스(204)에서, 볼록한 리플렉터(18)(즉, 고차 볼록한 비구면 미러)와 같은 주 이미지 컬렉터(primary image collector)는 장면으로부터 광선들을 받아들인다(즉 수용한다). 예를 들어, 전술한 장면의 물체 지점들(object points)로부터 광선 번들들(34)은 제 1 굴절 표면(16)을 통해 COE(14)로 진입한다. 광선 번들들(34)은 제 1 굴절 표면(16)을 통과할 때, 볼록한 리플렉터(18)를 향해 굴절한다. 광선 번들들(34)은 볼록한 리플렉터(18)의 고차 비구면 미러 표면(예를 들어, 쌍곡선 미러 표면 등)으로부터 반사되어 제 2 굴절 표면(20)을 통해 COE(14)를 떠난다.
프로세스(206)에서, 특정 압축을 갖는 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19)가 생성된다. 예를 들어, 광선 번들들(34)이 볼록한 리플렉터(18)로부터 반사됨에 따라, 장면의 물체 공간 지점들의 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19)는 볼록한 리플렉터(18) 뒤에 형성된다(예를 들어 전술한 바와 같이 음의 초점 길이로 인해). 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19)는 볼록한 리플렉터(18, 예를 들어 쌍곡선 미러 등)의 고차 볼록한 비구면 표면의 비구면 압축(aspheric compression)을 취한다. 예시적인 실시 예에 따르면, 볼록한 리플렉터(18)는 쌍곡선 구조를 가지므로, 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19)는 볼록한 리플렉터(18)의 미러 표면의 쌍곡선 구조에 특정된 쌍곡선 압축이다. 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19)는 만곡된 표면을 따라 형성된다(예를 들어, 쌍곡선, 포물선 등). 평평한 표면상에 이미지를 생성하기 위한 필드 곡률 보정 또는 제거는 이미지 센서(32)상에 고해상도 선명한 광학 이미지들을 얻는데 실질적으로 중요한 작업이다. 다른 실시 예에서, 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19)의 압축은 볼록한 리플렉터(18)의 표면의 형상에 따라 상이하다(예를 들어, 구형, 포물선, 고차 비구면 등). 예를 들어, 볼록한 리플렉터(18) 표면이 포물선 구조인 경우, 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19)는 포물선 압축을 가질 수 있고, 그 표면 곡률은 볼록한 리플렉터(18)의 포면 곡률보다 2 배 더 클 수 있다.
프로세스(208)에서, 압축 해제 렌즈(23)은 전술한 바와 같이 제 2 굴절 표면(20)을 통해 COE(14)를 떠난 광선 번들들(34)를 수용한다. 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19)는 하드웨어 조리개(22)를 통해 투사되고, 여기에서, 압축 해제 렌즈(23)로 필터링되고 중계된다. 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19)는 압축 해제 렌즈(23)에 대한 대상(예를 들어, 장면)의 역할을 한다. 구체적으로, 구조화된 비구면 렌즈 요소들(24, 26 및 28)은 고 광학 해상도 및 소정의 압축 해제를 이용하여 이미지 센서(32)로 언급된 이미지를 선명하게 투사한다(프로세스(210)). 예시적인 실시 예에 따르면, 압축 해제 렌즈(23)는 쌍곡선 압축을 갖는 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19)를 수용하고, 이미지 센서(32)로 고해상도 및 포물선 압축 해제(convex hyperbolic surface)를 이용하여 이미지를 투사한다. 다른 실시 예에 있어서, 압축 해제 렌즈(23)는 상이하게 형성된 비구면 압축된 이미지(aspheric compressed image, 예를 들어 쌍곡선 등)를 수용하고 이미지 센서(32)로 고해상도 및 소정의 압축 해제(예를 들어, 포물선, 쌍곡선 등)를 이용하여 이미지를 투사한다. 예시적인 실시 예에 따르면, 광속 번들들을 압축 및 압축 해제하기 위한 방법은 디지털 이미지 처리(digital image processing)(즉, 기계적으로 등)없이 광학 시스템(10)의 광학 수단에 의해 수행된다. 다른 실시 예에서, 디지털 이미지가 사용될 수 있다. 이것은 필터링되고, 압축 해제 렌즈로(23) 중계된다.
도 3을 참조하면, 이상적인 반사 굴절 광학 시스템(100)의 종래의 광학이 볼록한 포물선 미러로 구성된 볼록한 리플렉터(18)와 함께 도시된다. 이상적인 반사 굴절 광학 시스템(100)은 또한 이상적인 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens, 27) 카메라 렌즈(29) 및 만곡된 이미지 센서(33, curved image sensor)를 포함한다. 텔레센트릭 렌즈(27)는 순수한 포물선 미러를 사용할 때 필요하다. 함께 작동하여, 텔레센트릭 렌즈(27) 및 카메라 렌즈(29)는 물체 공간 지점들로부터 광선 번들들(34)의 실제 만곡된 이미지를 생성한다. 텔레센트릭 렌즈(27) 및 카메라 렌즈(29)는 포물선 볼록한 리플렉터(18)에 의해 생성된 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19, 도 3에 도시되지 않음)를 약간의 배율로 이미지 센서(33)로 투사함으로써 이를 달성된다. 배율은 텔레센트릭 렌즈(27) 및 카메라 렌즈(29)의 초점 길이의 어떤 관계와 동일하다. 가상 이미지 직경은 포물선 볼록한 리플렉터(18)의 직경과 동일하다. 일 실시 예에서, 텔레센트릭 렌즈(27)의 초점 거리가 카메라 렌즈(29)의 초점거리보다 크기 때문에, 배율은 1.0보다 작다. 배율이 작을수록, 만곡된 이미지 센서(33)상의 이미지의 직경은 가상 이미지 직경에 비해 작아진다. 카메라 렌즈(29) 상의 낮은 배율은 필드 편평률(field flattening)을 위해, 보다 간단한 렌즈 설계를 가능하게 한다. 이는, 만곡된 이미지 센서(33)의 직경에 대한 볼록한 리플렉터(18)의 직경의 비율에 대한 높은 수치를 야기한다. 배율이 4.5 미만이면, 불가능하지는 않더라도 고해상도의 선명하고 평평한 이미지 표면을 얻기가 매우 어렵다.
적절히 설계될 때, 도 3과 같은 반사 굴절 시스템들은 단일-센서 광각 지속 이미징의 최상의 방법을 제공한다. 이 방법을 사용하면 광범위한 필드 압축 함수들이 가능할 수 있다. 캡쳐로 도입된 필드 압축은 결과 이미지에서 전적으로 역전될 수 있다. 이러한 시스템에서 주 필드 압축 에이전트들로서 미러들의 사용은 다음의 굴절 요소들이 현저하게 더 작은 크기를 갖게 한다(즉, 어떤 경우, 10배에 가까운 크기에 따라). 또한 텔레센트릭 렌즈(27)가 미러로 대체되는 경우에만 이상적인 반사 굴절 광학 시스템(100)이 적용된다. 이 경우, 단일 미러 광학(100)은 이중-미러 광학(dual-mirror optics)에서 변환될 수 있다. 중량 및 재료 비용 중 적어도 하나가 고려 될 수 있는 경우, 뚜렷한 이점이 될 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 3에 도시된 시스템을 위한 포물선 미러로 구성된 볼록한 리플렉터(18), 이상적인 텔레센트릭 렌즈(27) 및 이상적인 카메라 렌즈(29)를 갖는 f-theta 왜곡/이미지 압축(402)의 그래프 및 파노라마 필드 곡률(400)의 그래프가 도시된다. 이상적인 만곡된 이미지 센서(33)와 대조적으로, 이미지 센서(32)가 같은 평평한 이미지 센서와 함께 사용될 때, 필드 곡률은 파노라마 필드 곡률(400)의 그래프에 도시된 평평한 필드(flat field)를 달성하기 위해 보정될 필요가 있는 중요한 문제가 될 수 있다. 이 시스템은 미러의 중심에서 엣지까지 20.7%의 압축 해제의 이점이 있다. 다른 실시 예에서, 포물선 미러 시스템들은 23%에서 최대 25% 범위의 더 높은 압축 해제를 제공할 수 있다. 이는 미러의 엣지가 대부분의 픽셀들을 커버하고, 따라서 결과 이미지의 높은 디지털 해상도를 초래하므로 바람직할 수 있다.
주 포물선 미러들(primary parabolic mirrors)을 사용하고, 소정의 필드 압축 특성들을 획득하는 필드 곡률 보정을 사용하여 시스템을 구현하는 작업은 수년간 수행되어왔다. 그러나 해상도가 매우 높고 동시에 소형이고 컴팩트한 시스템을 제공 하는 데는 여전히 어려움이 있다. 시장은 소형 사이즈 및 고 해상도의 양분된 특징을 통합하는 시스템에 대한 요구가 있다. 비점 수차(astigmatism), 필드 곡률 및 코마(coma)의 가벼운 버전을 포함하여 3차 및 고차 수차를 제거하는 정교한 방법을 채택한 시스템을 구현할 수 있다. 이는 공초점형(confocal) 시스템을 구축하여 동공부(pupil)에 비점 수차 및 구면 수차를 제거하고, 미러들 및 렌즈 요소들의 2차 이상의 비구면 광학 표면들을 사용하여 코마 및 고차 필드 수차를 억제하는 것과 같은 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 그러나 시스템의 전체 선형 크기가 센서 선형 크기에 근접하면 고차 수차들은 더 큰 역할을 하고, 특정 비율 아래에서 비롯되기 때문에 이렇나 수차는 보정되지 않고 센서 픽셀들에 의해 감지되어 이미지를 사용할 수 없게 만들고 시스템과 센서 크기 사이의 비율에 제한된 비율들을 가져온다. 쌍곡선 및 다른 주 미러 형상들의 사용은 위의 문제를 해결하는데 사용될 수 있다. 이 아이디어는 본원에서 보다 충분히 논의되고, 쌍곡선 주 미러를 사용하는 필드 압축의 예시가 도 5~6에 도시 된다.
도 5를 참조하면, 이상적인 반사 굴절 광학 시스템(100)의 이상적인 카메라 렌즈(29)를 갖는 쌍곡선 볼록한 리플렉터(18)가 도시된다. 이상적인 카메라 렌즈(29)는 쌍곡선 구조의 볼록한 리플렉터(18)에 의해 생성된 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19, 도5에 도시되지 않음)를 약간의 축소와 함께 만곡된 이미지 센서(33)로 투사함으로써 물체 공간 지점들의 광선 번들들(34)의 실제 만곡된 및 압축된 이미지를 생성한다. 이것은 압축 해제 렌즈(23)를 이상적인 카메라 렌즈(29)로 대체한 도 1에 도시된 광학 시스템과 동일한 유형이다. 이 예시적인 실시 예는 압축 해제 렌즈(23)와 이상적인 카메라 렌즈(29) 사이의 이미지 압축 해제 능력을 비교하기 위해 도시된다.
도 6을 참조하면, 이상적인 카메라 렌즈(29)(도 5에 도시된 레이아웃)와 함께 쌍곡선 미러로 구성된 볼록한 리플렉터(18)를 갖는 f-theta 왜곡/ 이미지 압축(602) 및 파노라마 필드 곡률(600)의 그래프가 도시된다. 필드 압축의 이점은 피시 아이 렌즈가 미러 프로파일(mirror profile)을 이상적인 렌즈(29)와 함께 사용할 때 원하는 성능 특성을 충족시키지 못한다는 점에 있어서 이점이 있다. 따라서, 쌍곡선 미러 기반의 광학 시스템(도 1 및 5에 도시)을 갖는 포물선 미러 기반 광학 시스템의 특성들을 달성하기 위해, 이상적인 렌즈(29), 도 3 및 5참조)는, 본원에서 충분히 설명될 도 1의 본 발명의 압축 해제 렌즈(23)로 대체된다.
도 7을 참조하면, 도 1의 광학 시스템(10)을 위한 파노라마 필드 곡률(700)의 그래프 및 f-theta 왜곡/이미지 압축(702)이 도시 된다. 컴팩트 고 해상도 광각 반사 굴절 광학 시스템(compact high resolution wide angle catadioptric optical system)의 보증을 성취하기 위해, 컴팩트 비구면 주 미러, 평평한 필드(즉, 낮은 필드 곡률) 및 포물선 필드 압축과 같은 특징들이 바람직하다. 광학 시스템(10)은 도 6의 결과를 생성하기 위해 사용된 도 5의 동일한 컴팩트, 비구면, 비-포물선 주 미러를 사용한다(즉, 쌍곡선 구조의 볼록한 리플렉터). 그러나, 도 5의 이상적인 만곡된 이미지 센서(33) 및 이상적인 렌즈(29)는 도 1의 평평한 이미지 센서(32) 및 압축 해제 렌즈(23)로 대체된다. 새로운 압축 해제 렌즈(23)는(포물선 미러를 사용하지 않고) 결과 이미지(resultant image)에서 근사(near) 포물선 필드 압축을 달성하기 위해 필드 압축 함수를 수정한다.
미러의 중심에서 엣지까지의 20.5% 압축 해제의 필드 압축 특성은 도 4에 나와있는 이상적인 포물선 미러 기반 시스템의 필드 압축 특성(20.7% 압축 해제)에 비교적 가깝다. 결과적으로 작고 컴팩트한 크기의 고려사항 없이 전술한 포물선 미러 기반 시스템들의 동작을 모방한 고 해상도 시스템이 야기된다. 이 목적을 달성하기 위해 주 비구면 미러, 볼록한 리플렉터(18)에 의해 생성된 가상 굴곡된 및 압축된 이미지(19)의 형상이 분석될 수 있고, 필드 곡률 보정기(field curvature corrector) 및 압축 해제 프로파일이 생성되어 압축 해제 렌즈(23)를 설계할 수 있다. 렌즈는 필드 곡률 보정, 비구면 대 포물선 압축 변환, 낮은 광학 F-stop, 및 컴팩트 폼 팩터(compact form factor)를 제공하도록 구성된 형상들을 포함할 수 있다. COE(14) 및 렌즈 소자(24, 26, 28)의 특정 광학 파라미터들의 조합, 이들의 위치 설정 및 재료는 광학 시스템(10)이 이미지 공간 내에서 F-stop 2.6을 갖는 가시 광선 스펙트럼에 대해 평평한 이미지 센서(32) 상에서 고 광학 해상도를 달성하는 것을 허용한다. 다른 실시 예에서, 상기 특성들은 변할 수 있고, F-stop 수(예를 들어, 2.7, 2.8, 2.9 등)을 초래할 수 있다. 다양한 실시 예에서, 이미지 직경에 대한 볼록한 리플렉터의 직경의 비율은 대략 6.5:1 내지 2.3:1의 범위 일 수 있다.
도 8을 참조하면, 예시적인 실시 예에 따라 회절 제한된 MTF(diffraction limited MTF, 흑색 곡선)와 비교하여 컴팩트 파노라마 카메라 광학 시스템(10)의 12개의 수직 시점에 대한 다색 회절 변조 전달 함수(MTF)의 그래프가 도시되어 있다. 그래프로부터 알 수 있듯이 파노라마 이미징 시스템은 수직 광학 축(12, vertical optical axis)으로부터 카운트업하여 35도에서 105도 까지 수직 시야를 가로질러 54.9%에서 61.0% 범위의 이미지 콘트라스트(MTF, image contrast)로 밀리미터 당 150쌍의 해상도를 제공한다.
도 9를 참조하면, 예시적인 실시 예에 따라 도시된 다색 광(polychromatic light)을 위한 회절 제한된 MTF(검은 곡선)와 비교하여 컴팩트 파노라마 카메라 광학 시스템(10)의 수평 포인트에 대한 변조 전달 함수(MTF) 의 접선(tangential) 및 시상면(sagittal) 그래프가 도시되어 있다. 그래프에서 알 수 있듯이, 파노라마 이미징 시스템은 61.0% 콘트라스트(MTF)와 함께 밀리미터당 150 라인 쌍의 해상도를 제공한다. 30%의 최소 이미지 콘트라스트가 받아들여지면 수평선에 대한 실제 제한 해상도가 매우 높고, 특히 300 cy/mm이다.
도 10을 참조하면, 예시적인 실시 예에 따라 회전 제한된 DEE(상부 곡선(top curve))와 비교하여 컴팩트 파노라마 카메라 시스템(10)의 12개의 수직 시점에 대한 회절 인스퀘어된 에너지(diffraction ensquared energy, DEE) 농도(concentration)의 그래프가 도시되어 있다. DEE 그래프는 필드 뷰를 가로지르는 단일 물체 지점(object point)으로부터의 이미지 평면 상의 정사각형 영역 (2a x 2b)에 의해 수집된 총 광 에너지에 대한 상대적인 양을 도시하고, 여기서 "a"는 그래프의 수평축을 따라 표시된 사각형 중심으로부터의 미트론 단위의 거리이다. 수직 축은 인스퀘어된 에너지의 분율(fraction)을 나타낸다. 물체 지점으로부터의 이미지 평명상의 광 에너지 분포는 점 분산 함수(PSF)에 의해 기술된다. DEE 농도는 정사각형 중심점이 최대 PSF 지점(중심점)과 일치 할 때, 정사각형 영역(2a x 2a)에 걸진 PSF 적분이다. 광학 및 디지털 해상도와 맞추기 위해 픽셀 영역에 2/3 또는 약 70% DEE 농도를 갖는 것이 바람직하다.
도 11을 참조하면, 컴팩트 파노라마 카메라 시스템(10)의 12 개의 수직 시점에 대한 다색 호이겐스 MTF(polychromatic Huygens MTF)의 그래프가 예시적인 실시 예에 따라 도시된다. 여기에서 이미지 콘트라스트의 범위는 도 8의 MTF 데이터보다 약간 높고, 이는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)을 사용하여 근사치로 계산될 수 있다.
도 12를 참조하면, 예시적인 실시 예에 따라 컴팩트 파노라마 카메라 광학 시스템(10)의 수직 시야를 가로 지르는 상대 조도(relative illumination)의 그래프가 도시된다. 이 그래프는 컴팩트 파노라마 카메라의 수직 시야를 가로 지른 이미지 센서(32)상의 광 분포의 균일성을 나타낸다. 조도 변화는 전체 뷰에 걸쳐 18% 미만이다.
도 13을 참조하면, 일 실시 예에 따라 도 1의 배열에 대한 12개의 수직 시점들에 대한 스팟 다이어그램(spot diagram)이 도시된다. 도 1은 예시적인 실시 예에 따라 도시된다. 도시된 바와 같이, 수직 각도가 105도 까지 증가함에 따라 이미지 센서(32)상에 매우 작은 왜곡이 있다.
도 14는 0.455 미크론 내지 0.644 미크론까지의 파장 범위에 대한 측 방향 컬러 그래프 및 주요 컬러 파장0.546 미크론으로부터 수직한 뷰 전체에 대한 편차를 도시한다. 보여지는 편차는 2 미크론 미만이고 에어리 한계(Airy limits)를 넘지 않는다.
도 15를 참조하면, 픽셀 당 밀리-라디안(milli-radians per pixel)의 수직(1550) 및 수형(1500) 방향의 순간 시야의 그래프가 도시된다. 1.5 미크론 픽셀 피치와 함께 디지털 센서를 사용하는 것을 제안하면서 양 방향으로 전체 시야에 대한 컴팩트 파노라마 카메라의 디지털 해상도를 특징 짓는다. 예를 들어, 광학 축으로부터 수직 각도가 35도에서 105도 까지 변화하면 수직 해상도는 1.4 mrad/pixel에서 0.8 mrad/pixel까지 변화한다. 숫자가 작을수록 해상도가 높아진다.
도 16을 참조하면, 파노라마 카메라(110)의 시스템 블록도가 예시적인 실시 예에 따라 도시된다. 파노라마 카메라(110)는 다수의 서브어셈블리들(subassemblies)을 포함한다. 제 1 서브어셈블리는 광학 시스템(10)이다(도 1에 도시). 제 2 서브어셈블리는 디지털 이미지 센서(122)의 센서 평면(122b)이 광학 시스템(10)의 이미지 센서(32)와 일치하는 방식으로 광학 시스템(10)에 대해 장착된 디지털 이미지 센서(122)를 포함한다. 광학 시스템(10)은 디지털 이미지 센서(122)에 이미지(125)를 생성한다. 일부 실시 예에서, 이미지는 원형이다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 광학 시스템(10)에 의해 결정된 바와 같이, 환형 원형 이미지(125, annular circular image)는 이미지 내부 원(125a, image inner circle) 및 이미지 외부 원(125b, image outer circle) 사이에서 형성된다.
제 3 서브시스템은 디지털 이미지 센서(122)에 의해 캡쳐된 이미지의 전자적 표현(electronic representation)을 수용하도록 구성된 컨트롤러(105)를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 캡쳐된 이미지를 처리하기 위한 이미지 처리 소프트웨어(105)가 제공된다. 초점이 맞춰진 이미지의 디지털 표현이 렌더링(render)되고 최종 사용자에게 보여진다. 예를 들어, 렌더링된 초점이 맞춰진 이미지(rendered focused image)는 사용자 인터페이스(108)에서 비디오 디스플레이(107) 상에 보여질 수 있다. 사용자 인터페이스(108)는 사용자가 이미지(125)를 자동적으로 포커싱(focus)하는 함수들 중 적어도 하나를 위해 이미지 처리 소프트웨어(106)를 조작할 수 있고, 이미지(125)를 수동으로 포커싱하는 함수를 포함할 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 가상 만곡된 및 압축된 이미지(19)의 압축 및 압축 해제는 디지털 이미지 처리로 수행되지 않는다.
도 17은 제 2 실시 예에 따른 대안적인 광학 시스템 레이아웃을 도시한다. 제 2 실시 예는 볼록한 리플렉터(18)가 원통형 윈도우(39, cylindrical window)를 사용하여 장작 된다는 점에서 제 1 실시 예의 변형이다. 원통형 윈도우(38)의 내부는 볼록한 리플렉터(18), 스파이크(35), 배플(36, baffle)이다. 볼록한 리플렉터(18)는 20.1 mm의 직경을 갖는 쌍곡선 구조일 수 있고, 이미지 센서(32)는 4.6 mm의 직경을 가질 수 있다. 따라서, 볼록한 리플렉터 및 이미지 센서의 비율은 4.4:1 이다. 스파이크(35)는 수직 광학 축(12)을 따라 배치될 수 있고, 적어도 부분적으로 배플(36)의 내부로 연장할 수 있다. 스파이크(35)는 전반적인 광학의 개선된 안정성을 제공하고 카메라에 반사된 이미지의 원하지 않는 눈부심(glare)을 감소시킨다. 배플(36)은 기계적 시스템이고, 그 함수는 컴팩트 파노라마 카메라의 시야(FOV) 외부의 광원들로부터 오는 광을 막는 것이다.
도 18은 제 3 실시 예에 따른 대안적인 광학 시스템 레이아웃을 도시한다. 제 3 실시 예는 볼록한 리플렉터(18)가 중앙 스트럿(37), 아크릴 플레이트(38) 및 하우징(41)을 사용하여 장착된다는 점에서 제 1 실시 예의 변형이다. 볼록한 리플렉터(18)는 21.2 mm의 직경을 가지고, 이미지 센서(32)는 4.5mm 의 직경을 갖는다. 따라서, 볼록한 리플렉터 및 이미지 센서의 비율은 4.7:1 이다. 중앙 스트럿(37)은 볼록한 리플렉터(18)에 대한 지지체(support)로 작용한다. 아크릴 플레이트(38)은 중앙 스트럿(37)을 지지할 뿐 아니라 하우징(41)내로 통과하는 광을 위한 명확한 통로(clear passage)를 제공한다.
도 19는, 제 4 실시 예에 따른 대안적인 광학 시스템 레이아웃을 도시한다. 제 4 실시 예는, 볼록한 리플렉터(18)가 중앙 스트럿(37), 아크릴 플레이트(38), 아크릴 원뿔 윈도우(40, acrylic cone window), 하우징(40) 및 광 트랩 다이어프램(42, light trap diaphragm)를 사용하여 장착된다는 점에서 제 1 실시 예의 변형이다. 볼록한 리플렉터(18)는 21.2 mm의 직경을 가지고, 이미지 센서(32)는 4.5mm 의 직경을 갖는다. 따라서, 볼록한 리플렉터 및 이미지 센서의 비율은 4.7:1 이다. 중앙 스트럿(37)은 볼록한 리플렉터(18)대한 지지체로서 작용한다. 아크릴 플레이트(38)은 중앙 스트럿(37)을 지지할 뿐 아니라 하우징(41)내로 통과하는 광을 위한 명확한 통로를 제공한다. 아크릴 원뿔 윈도우(40)는 볼록한 리플렉터(18)의 장착에 대한 지지를 추가할 뿐만 아니라 광이 통과할 때, 굴절 표면으로 작용한다. 하우징(41)은 광 트랩 다이어프램(42)을 수용하는데 사용된다. 광 트랩 다이어프램(42)은 하드웨어 조리개(22)를 통과하는 광을 제외한 광의 통과를 막는 테이퍼된 환형 다이어프램(tapered annular diaphragm)이다(즉, 원뿔형 컷아웃(conical cutout)을 포함한다).
도 20은, 제 5 실시 예에 따른 대안적인 광학 시스템 레이아웃을 도시한다. 제 5 실시 예는, 광학 시스템이, 스파이크(35), 하우징(40), 광 트랩 다이어프램(42, light trap diaphragm) 및 후드(43)을 포함한다는 점에서, 제 1 실시 예의 변형이다. 볼록한 리플렉터(18)는 24.2 mm의 직경을 가지고, 이미지 센서(32)는 4.5mm 의 직경을 갖는다. 따라서, 볼록한 리플렉터 및 이미지 센서의 비율은 5.4:1 이다. 스파이크(35)는 수직 광학 축(12)을 따라 배치될 수 있고, 적어도 부분적으로 하우징(41)의 내부로 연장할 수 있다. 스파이크(35)는 전반적인 광학의 개선된 안정성을 제공하고 카메라에 반사된 이미지의 원하지 않는 눈부심을 감소시킨다. 하우징(41)은 광 트랩 다이어프램(42)을 수용하는데 사용된다. 광 트랩 다이어프램(42)은 하드웨어 조리개(22)를 통과하는 광을 제외한 광의 통과를 막는 테이퍼된 환형 다이어프램(tapered annular diaphragm)이다(즉, 원뿔형 컷아웃(conical cutout)을 포함한다). 후드(43)는 광학 시스템을 손상으로부터 보호할 뿐만 아니라 렌즈 플레어(lens flare)를 감소시키는 목적을 제공한다.
도 21은 제 6 실시 예에 따른 대안적인 컴팩트 파노라마 카메라를 도시한다. 제 6 실시 예는, 실시 예가 80도의 EVFOV(수평선으로부터 30도 위로, 50도 아래로)를 가진 광학 시스템을 포함한다는 점에서 제 1 실시 예의 변형이다. 볼록한 리플렉터(18)는 24.2mm의 직경을 가지고, 이미지 센서(32)는 4.6 mm의 직경을 갖는다. 따라서, 이미지 센서 에 대한 볼록한 리플렉터의 비율은 5.3:1 이다. 예시적인 실시 예에 따르면, 도 21의 광학 시스템의 전체 길이는, 51.2 mm이다. 다른 실시 예에서, 도 21의 광학 시스템의 전체길이는 51.2 mm 보다 크거나 작다.
도 22은 제 7 실시 예에 따른 대안적인 컴팩트 파노라마 카메라를 도시한다. 제 7 실시 예는, 실시 예가 80도의 EVFOV(수평선으로부터 40도 위로, 40도 아래로)를 가진 광학 시스템을 포함한다는 점에서 제 1 실시 예의 변형이다. 볼록한 리플렉터(18)는 26.4mm의 직경을 가지고, 이미지 센서(32)는 4.6 mm의 직경을 갖는다. 따라서, 이미지 센서 에 대한 볼록한 리플렉터의 비율은 5.7:1 이다. 예시적인 실시 예에 따르면, 도 22의 광학 시스템의 전체 길이는, 49.1 mm이다. 다른 실시 예에서, 도 22의 광학 시스템의 전체길이는 49.1 mm 보다 크거나 작다.
도 23은 제 8 실시 예에 따른 대안적인 컴팩트 파노라마 카메라를 도시한다. 제 8 실시 예는, 실시 예가 85도의 EVFOV(수평선으로부터 45도 위로, 40도 아래로)를 가진 광학 시스템을 포함한다는 점에서 제 1 실시 예의 변형이다. 볼록한 리플렉터(18)는 25.3 mm의 직경을 가지고, 이미지 센서(32)는 4.6 mm의 직경을 갖는다. 따라서, 이미지 센서 에 대한 볼록한 리플렉터의 비율은 5.5:1 이다. 예시적인 실시 예에 따르면, 도 23의 광학 시스템의 전체 길이는, 47.2 mm이다. 다른 실시 예에서, 도 23의 광학 시스템의 전체길이는 47.2 mm 보다 크거나 작다.
도 24는 제 9 실시 예에 따른 대안적인 컴팩트 파노라마 카메라를 도시한다. 제 9 실시 예는, 80도의 EVFOV(수평선으로부터 40도 위로, 40도 아래로), 대안적인 형상을 가진 COE(14), 스파이크(35), 하우징(40) 및 광 트랩 다이어프램(42)를 포함한다는 점에서 제 1 실시 예의 변형이다. 대안적인 형상을 가진 COE(14)는 3개의 광학 표면들을 포함한다: 임의의 비구면 표면(예를 들어, 쌍곡선, 포물선 등)일 수 있는 볼록한 리플렉터(18) 및 볼록한 리플렉터(18)와 연결되는 2 개의 구면 굴절 표면들. 다른 실시 예에서, 2 개의 굴절 표면들은 다양한 형상(예를 들어, 선형, 포물선, 쌍곡선, 비구면 등)일 수 있다. 스파이크(35)는 수직 광학 축(12)을 따라 배치될 수 있고, 적어도 부분적으로 하우징(41)의 내부로 연장할 수 있다. 스파이크(35)는 전반적인 광학의 개선된 안정성을 제공하고 카메라에 반사된 이미지의 원하지 않는 눈부심을 감소시킨다. 하우징(41)은 광 트랩 다이어프램(42)을 수용하는데 사용된다. 광 트랩 다이어프램(42)은 하드웨어 조리개(22)를 통과하는 광을 제외한 광의 통과를 막는 테이퍼된 환형 다이어프램(tapered annular diaphragm)이다(즉, 원뿔형 컷아웃(conical cutout)을 포함한다). 볼록한 리플렉터(18)는 27.8 mm의 직경을 가지고, 이미지 센서(32)는 4.5 mm의 직경을 갖는다. 따라서, 이미지 센서 에 대한 볼록한 리플렉터의 비율은 6.2:1 이다.
도 25는 제 10 실시 예에 따른 대안적인 컴팩트 파노라마 카메라를 도시한다. 제 10 실시 예는, 80도의 EVFOV(수평선으로부터 40도 위로, 40도 아래로), 스파이크(35), 아크릴 원뿔 윈도우(40), 하우징(40) 및 광 트랩 다이어프램(42)를 포함한다는 점에서 제 1 실시 예의 변형이다. 스파이크(35)는 수직 광학 축(12)을 따라 배치될 수 있고, 적어도 부분적으로 하우징(41)의 내부로 연장할 수 있다. 스파이크(35)는 전반적인 광학의 개선된 안정성을 제공하고 카메라에 반사된 이미지의 원하지 않는 눈부심을 감소시킨다. 아크릴 원뿔 윈도우(40)는 볼록한 리플렉터(18)의 장착에 대한 지지를 추가할 뿐만 아니라 광이 통과할 때, 굴절 표면으로 작동한다. 하우징(41)은 광 트랩 다이어프램(42)을 수용하는데 사용된다. 광 트랩 다이어프램(42)은 하드웨어 조리개(22)를 통과하는 광을 제외한 광의 통과를 막는 테이퍼된 환형 다이어프램(tapered annular diaphragm)이다(즉, 원뿔형 컷아웃(conical cutout)을 포함한다). 볼록한 리플렉터(18)는 27.0 mm의 직경을 가지고, 이미지 센서(32)는 4.5 mm의 직경을 갖는다. 따라서, 이미지 센서 에 대한 볼록한 리플렉터의 비율은 6:1 이다.
도 26을 참조하면, 제 11 실시 예에 따른 컴팩트 파노라마 카메라의 광학 시스템 레이아웃이 도시된다. 대칭 축, 즉, 수직 광학 축(12)을 갖는 광학 시스템(10)은 2 개의 주요 광학 컴포넌트들, 즉 볼록한 리플렉터(18)(예를 들어, 쌍곡선 미러) 및 단일 렌즈 요소로 구성된 압축 해제 렌즈(23)를 포함한다. 광학 시스템(10)은 하드웨어 조리개 및 만곡된 이미지 센서(33)(즉, 3D)을 더 포함한다. 다른 실시 예에서, 이미지 센서는 이미지 센서(32)와 같은 평평한 이미지 센서일 수 있다. 쌍곡선 볼록한 리플렉터(18)의 직경은 25.6mm 이고, 원추 상수(conic constant)는 마이너스 1.4이고, 곡률 반경(radius of curvature)은 제 1 실시 예와 동일하게 9.346mm이다(도 1 참조). 압축 해제 렌즈(23)의 단일 렌즈 요소는 각각 다른 비구면 형상들을 갖는 제 1 표면(46) 및 제 2 표면(47)을 포함한다. 이들이 함께 작동하면서, 제 1 표면(46) 및 제 2 표면(47)은 쌍곡선 미러, 볼록한 리플렉터(18)에 의해 생성된 가상 이미지 압축을 압축해제 할 뿐만 아니라 필드 곡률을 제외한 모든 필드 수차를 효과적으로 보정할 수 있다. 그 결과, 회절 MTF(도 27), 회절 인스퀘어된 에너지 농도(도 28) 및 스팟 다이어그램(도 29)에 의해 확인되는 F/4조리개를 사용함으로써 광학 시스템(10)은 회절 제한된 이미지 품질(diffraction limited image quality)을 갖는다. 단일 렌즈 요소의 압축 해제 능력은 F-theta 왜곡 그래프(3002)(도 30)에 의해 확인되고, 이는 105도 시야 엣지를 대해 30.8% 압축 해제를 나타낸다. 압축 해제 렌즈(23)의 제 1 표면(46)은 양의 광학 배율 및 8.8mm의 초점 길이를 가질 수 있다. 이러한 이유 때문에, 자체 필드 곡률을 보정하고, 볼록한 리플렉터(18)에 의해 도입된 양의 필드 곡률(positive field curvature)을 보정하는 것은 불가능하다. 제 2 표면(47)은 음의 광학 배율을 가지고 광학 시스템(10)의 필드 곡률을 보정한다. 제 2 표면(47)은 또한 그 광학 재료가 렌즈 요소의 제 1 표면(46)보다 높은 분산을 가질 경우, 색수차를 보정할 수 있다. 광학 시스템(10)(도 26)은 단색성(monochromatic)일 수 있고, 546 나노 미터의 작동 파장을 가질 수 있다.
그럼에도 불구하고, 도 31의 압축 해제 렌즈(23)와 같이, 압축 해제 렌즈로서 작동하는 단일 렌즈 요소만을 갖는 색수차를 보정하는 것이 가능하다. 이는 제 12 실시 예(도 31 참조)에서 제 1 표면을 회절 표면으로 만듦으로써 실현될 수 있다. 광학 시스템(10)은 다색 회절 MTF(도 32 참조), 회절 인스퀘어된 에너지 농도(도 33 참조) 및 스팟 다이어그램(도 34)에 의해 확인되는 F/4 조리개에 대한 높은 광학 해상도를 갖는다. 이미지 압축의 포물선 형태는 FOV 엣지에 대해 26.9% 압축 해제를 갖는 F-theta 왜곡 그래프(3502, 도 35 참조)에 의해 확인된다. 광학 시스템(10)(도 31)은 80도의 유효 수직 시야(EVFOV)를 갖는다: 수평선으로부터 15도 위로 및 65도 아래. 볼록한 쌍곡선 미러, 볼록한 리플렉터(18)는 고차 비구면 표면을 가지고, 그 직경은 24.5 mm이고 정점(vertex)에서의 원추 상수 및 곡률 반경은 제 11 실시 예와 동일하다(도 26 참조).
도 31의 압축 해제 렌즈(23)의 제 1 표면(46) 및 제 2 표면(47)은 다른 비구면 형상을 갖는다. 제 1 표면(46)은 그 비구면 표면의 상부에 회절 광학 구조를 포함할 수 있다. 이와 함께 작동하여, 제 1 표면(46) 및 제 2 표면(47)은 볼록한 리플렉터(18)에 의해 생성된 가상 이미지 압축을 압축 해제할 뿐만 아니라 필드 곡률을 제외한 모든 필드 수차 및 색수차를 효과적으로 보정할 수 있다. 컬러 보정을 더욱 향상시키기 위해, 압축 해제 렌즈(23)의 단일 렌즈 요소의 제 1 표면(46)은, 약 680 nm 이상에서 비롯되는 광 파장을 차단하는 박막 IR 차단 필터(thin film IR cut-off filter)로 코팅될 수 있다. IR 필터 코팅의 또 다른 이점은 광학 요소 감소이다: 그렇지 않으면 추가적인 평평한 필터 요소가 만곡된 이미지 센서(33)의 전방에 배치될 필요가 있다. 가장 선명한 이미지는 만곡된 이미지 센서(33)의 오목한 표면상에 위치한다. 초점의 깊이 의존하고 16 또는 22의 F-stop을 가진 핀홀 조리개(pinhole aperture)를 사용하면, 이미지 센서(32)와 같은 평평한 감지 표면(sensing surface)에서 선명한 이미지를 얻는 것이 가능하다. 또 다른 가능성은, 광 섬유 플래트너(fiber optic flattener) 또는 스미스 렌즈(Smith lens)를 센서 표면 커버로 사용하는 것이다. 두 경우 모두 단일 요소 압축 해제 렌즈 개념을 이중(dual) 요소로 변환시킨다.
도 31의 조리개(22)의 직경을 2.20 mm에서 0.55 mm로 줄임으로써, 광학 시스템(10)의 F-stop은 4대신 16이 된다. 도 36~39는 재포커싱(refocusing) 이후, 이미지 센서(32)와 같은 평평한 표면상의 이미지 품질을 특징 짓는다. 최대 광학 해상도는 0.3-0.4 콘트라스트(도 36)에 대해 50 cy/mm이고, 평균적으로 16x16 미크론 영역상에 70% 광 에너지가 집중된다(도 37). 그 결과, 평평한 감지 표면상의 이미지 품질 감소는 만곡된 이미지 센서(33)와 같은 3D 감지 표면과 비교하여 약 4배 더 적다.
본 개시된 발명은, 그 사상 또는 본질적인 특성을 벗어나지 않고, 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다. 설명된 실시 예들은 모든 점에 있어서 단지 예시적인 것이고, 제한적이지 않다. 그러므로, 본 개시된 발명의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 청구 범위에 의해 나타난다. 청구 범위와 균등한 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경은 그 범위 안에 포함될 것이다.
본 명세서에서 개시된 발명은 설명에서 설명되거나 도면에서 도시 된 구성 요소의 구성 및 배치의 세부 사항에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시 예들이 가능하고 또는 다양한 방법으로 실시되거나 수행될 수 있다. 본원에서 사용된 표면 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이고, 제한적으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다.
피팅(fitting)의 단지 몇몇 실시 예가 본원에 상세히 설명되었지만, 본 개시된 내용을 검토한 통상의 기술자들은 개시된 실시 예에 본 주제의 새로운 사상 및 이점으로부터 실질적으로 벗어나지 않으면서 많은 변경이 가능하다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다(예를 들어, 다양한 요소들의 다양한 크기, 치수, 구조 형상 및 부분, 파라미터의 값, 장착 배치, 재료, 컬러, 배향 등). 따라서, 그러한 모든 수정은 개시된 실시 예들에서 정의된 바와 같이 본원의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
Claims (36)
- 이미지 센서를 구비하는 컴팩트 파노라마 카메라를 위한 시스템에 있어서,
비-포물선 이미지 압축을 이용하여 파노라마 장면의 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 제공하고 축 대칭 비구면 표면을 구비하는 볼록한 리플렉터; 및
상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 수용하도록 배치된 압축 해제 렌즈를 포함하고,
상기 압축 해제 렌즈는,
고 광학 해상도 및 포물선 이미지 압축 해제와 함께 상기 만곡된 및 압축된 이미지를 실제 이미지로 압축 해제하고; 및
상기 이미지 센서로 실제 이미지를 투사하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 볼록한 리플렉터의 상기 축 대칭 비구면 표면은 쌍곡선 구조인 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지의 비-포물선 이미지 압축은 축 대칭 비구면 표면의 구조와 동일한 포맷인 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고 광학 해상도는 150 cy/mm에 대해 30% 이상의 다색 회절 변조 전달 함수를 구비하는 시스템을 포함하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
가상 만곡된 및 압축된 이미지를 생성하도록 구성된 반사 굴절 광학 요소를 포함하고,
상기 반사 굴절 광학 요소는 상기 볼록한 리플렉터를 포함하는 시스템.
- 제 5 항에 있어서,
상기 반사 굴절의 광학 요소는,
상기 파노라마 장면으로부터 광선들을 수용하도록 배치된 제 1 굴절 표면; 및
상기 볼록한 리플렉터에 의해 반사된 광선들을 수용하기 위한 제 2 굴절 표면을 포함하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압축 해제 렌즈는, 총 하나 이상의 비구면 표면들을 갖는 하나 이상의 렌즈 요소들을 포함하는 시스템.
- 제 7 항에 있어서,
상기 하나 이상의 비구면 표면들 중 적어도 하나는, 상기 하나 이상의 비구면 표면들 중 적어도 하나를 따라 배치되는 회절 광학 구조를 갖는 시스템.
- 제 7 항에 있어서,
상기 압축 해제 렌즈는,
음의 광학 배율을 갖는 제 1 네거티브 렌즈 요소;
음의 광학 배율을 갖는 제 2 네거티브 렌즈 요소; 및
양의 광학 배율을 갖고, 상기 제 1 네거티브 렌즈 요소 및 상기 제 2 네거티브 렌즈 사이에 배치되는 포지티브 렌즈 요소를 포함하는 시스템.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 네거티브 렌즈 요소의 제 1 표면은 약 680 나노 미터 이상에서 시작하는 적외선 복사를 차단할 수 있는 박막 코팅으로 코팅되는 시스템.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 네거티브 렌즈, 상기 제 2 네거티브 렌즈 및 상기 포지티브 렌즈 중 적어도 하나는, 하나 이상의 비구면 표면들을 갖는 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 볼록한 리플렉터로부터 직접적으로 반사되는 광선들 이외의 광선들을 필터링하도록 구성된 하드웨어 조리개를 포함하고,
상기 하드웨어 조리개는, 상기 볼록한 리플렉터의 기하학적 초점에 또는 부근에 상기 볼록한 리플렉터와 이격되어 배치되는 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 압축 해제 렌즈는 상기 하드웨어 조리개에 의해 필터링된 상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 수용하도록 배치되는 시스템.
- 고 해상도를 가진 이미지를 압축 및 압축 해제하기 위한 방법에 있어서,
반사 굴절 광학 요소에 의해 장면으로부터 광선 번들들을 수용하는 단계;
비-포물선 압축을 이용하여 상기 광선 번들들을 상기 반사 굴절 광학 요소에 의해 가상 만곡된 및 압축된 이미지로 압축하는 단계;
상기 반사 굴절 광학 요소에 의해, 상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 하드웨어 조리개로 반사하는 단계;
상기 반사 굴절 광학 요소에 의해 반사되는 광선 이외의 광선들을 상기 하드웨어 조리개에 의해 필터링 하는 단계;
압축 해제 렌즈에 의해, 상기 하드웨어 조리개로부터 상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 수용하는 단계;
상기 압축 해제 렌즈에 의해, 상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 실제 이미지로 압축 해제하는 단계; 및
상기 압축 해제 렌즈에 의해, 상기 실제 이미지를 이미지 센서로 투사하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지의 상기 비-포물선 압축은 쌍곡선 구조인 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 실제 이미지는, 고 광학 해상도를 가진 포물선 압축 해제 포맷에 있는 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 광선 번들들을 압축 및 압축 해제하기 위한 방법은,
디지털 이미지 처리 없이 광학 수단에 의해 수행되는 방법.
- 반사 굴절 광학 시스템 내에 비-포물선 미러 및 이미지 센서와 함께 사용하기 위한 압축 해제 렌즈에 있어서,
상기 비-포물선 미러로부터 비-포물선 압축 포맷으로 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 수용하도록 위치되는 적어도 하나의 렌즈 요소를 포함하고,
상기 하나 이상의 렌즈 요소는, 상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 고 광학 해상도 및 압축 해제의 포물선 유형을 갖는 실제 이미지로 압축 해제 하도록 구성되고 상기 실제 이미지를 상기 이미지 센서로 투사하는 압축 해제 렌즈.
- 제 18 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 렌즈 요소는,
제 1 네거티브 렌즈 요소;
제 2 네거티브 렌즈 요소; 및
상기 제 1 네거티브 렌즈 요소 및 상기 제 2 네거티브 렌즈 사이에 배치되는 포지티브 렌즈 요소를 포함하는 압축 해제 렌즈.
- 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 네거티브 렌즈 요소는, 적어도 하나의 비구면 표면을 가지고,
상기 제 1 네거티브 렌즈 요소는,
음의 광학 배율을 가짐,
광선들의 번들들을 확장시킴, 및
상기 적어도 하나의 비구면 표면을 사용하여 필드 수차를 부분적으로 보정함; 중 적어도 하나의 특징으로 구조화되는 압축 해제 렌즈.
- 제 20 항에 있어서,
상기 포지티브 렌즈 요소는 비구면 표면들을 가지고,
상기 포지티브 렌즈 요소는,
양의 광학 배율을 가짐,
광선들의 번들들을 수렴시킴, 및
상기 비구면 표면들을 사용함으로써 필드 수차를 부분적으로 보정함; 중 적어도 하나의 특징으로 구조화되는 압축 해제 렌즈.
- 제 21 항에 있어서,
상기 제 2 네거티브 렌즈 요소는,
비구면 표면들을 갖고, 상기 이미지 센서에 근접하게 위치되고,
상기 제 2 네거티브 렌즈 요소는,
음의 광학 배율을 가짐,
이미지 압축을 보정함,
필드 곡률을 보정함, 및
상기 비구면 표면들을 사용하여 잔여 필드 수차를 보정함; 중 적어도 하나의 특징으로 구조화되는 압축 해제 렌즈.
- 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 네거티브 렌즈 요소 및 상기 제 2 네거티브 렌즈 요소는, 폴리스티렌, 폴리카보네이트 및 렉소라이트 중 적어도 하나를 포함하는 고 분산 플라스틱 재료로 제조되는 압축 해제 렌즈.
- 제 19 항에 있어서,
상기 포지티브 렌즈 요소는,
PMMA 및 지오넥스 중 적어도 하나를 포함하는 저 분산 광학 플라스틱 재료로 제조되는 압축 해제 렌즈.
- 대칭의 회전 축을 갖는 시야의 360도를 감지하기 위한 컴팩트 파노라마 카메라에 있어서,
축 대칭 비구면 표면을 가지는 볼록한 리플렉터;
상기 볼록한 리플렉터로부터 직접 반사된 광선들 이외의 광선들을 필터링하여 감지 이미지들의 장래의 매핑을 위해 바람직한 컴팩트 물체 공간 관점을 제공하도록 구성되는 하드웨어 조리개; 및
상기 하드웨어 조리개에 의해 필터링된 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 수용하도록 배치된 압축 해제 렌즈를 포함하고,
상기 볼록한 리플렉터는,
특정 이미지 압축을 이용하여 360도 파노라마 장면의 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 제공하도록 구성되고,
상기 하드웨어 조리개는,
상기 볼록한 리플렉터의 기하학적 초점에 또는 부근에서 상기 볼록한 리플렉터와 이격되어 배치되고,
상기 압축 해제 렌즈는,
고 광학 해상도 및 포물선 이미지 압축 해제와 함께 상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 실제 이미지로 압축 해제하고; 및
이미지 센서로 실제 이미지를 투사하고,
상기 이미지 센서는,
상기 360도 파노라마 장면의 상기 압축 해제 렌즈에 의해 투사된 상기 실제 이미지를 수용하도록 배치되는 컴팩트 파노라마 카메라.
- 제 25 항에 있어서,
상기 볼록한 리플렉터의 상기 축 대칭 비구면 표면은 쌍곡선 형상을 가지는 컴팩트 파노라마 카메라.
- 제 25 항에 있어서,
상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지의 특정 이미지 압축은 상기 축 대칭 비구면 표면의 구조와 동일한 포맷인 컴팩트 파노라마 카메라.
- 제 25 항에 있어서,
상기 볼록한 리플렉터는,
상기 가상 만곡된 및 압축된 이미지를 생성하도록 구성된 반사 굴절 광학 요소로 통합되는 컴팩트 파노라마 카메라.
- 제 28 항에 있어서,
상기 반사 굴절 광학 요소는,
상기 볼록한 리플렉터; 및
2 개의 굴절 표면들을 포함하고,
상기 2 개의 굴절 표면들은,
360도 파노라마 장면으로부터 광선들을 수용하도록 배치된 제 1 굴절 표면; 및
상기 볼록한 리플렉터에 의해 반사된 광선들을 수용하기 위한 제 2 굴절 표면을 포함하는 컴팩트 파노라마 카메라.
- 제 25 항에 있어서,
상기 압축 해제 렌즈는 총 하나 이상의 비구면 표면들을 가지는 하나 이상의 렌즈 요소들을 포함하는 컴팩트 파노라마 카메라.
- 제 30 항에 있어서,
상기 하나 이상의 비구면 표면들 중 적어도 하나는,
상기 하나 이상의 비구면 표면들 중 적어도 하나를 따라 배치되는 회절 광학 구조를 갖는 시스템.
- 제 30 항에 있어서,
상기 압축 해제 렌즈는,
광선들의 번들들을 확장시키고 필드 수차를 부분적으로 보정하는 음의 광학 배율을 갖는 제 1 네거티브 렌즈 요소;
광선들의 번들들을 수렴시키고, 필드 수차를 부분적으로 보정하는 양의 광학 배율을 갖는 포지티브 렌즈 요소; 및
이미지 압축, 필드 곡률 및 잔여 필드 수차를 보정하는 음의 광학 배율을 갖는 제 2 네거티브 렌즈 요소를 포함하는 컴팩트 파노라마 카메라.
- 제 32 항에 있어서,
상기 제 1 네거티브 렌즈 요소의 제 1 표면은,
대략 680 나노 미터 이상으로부터 시작하는 적외선 복사를 차단할 수 있는 박막 코팅으로 코팅되는 컴팩트 파노라마 카메라.
- 제 32 항에 있어서,
상기 제 1 네거티브 렌즈 요소, 상기 제 2 네거티브 렌즈 요소 및 상기 포지티브 렌즈 요소 중 적어도 하나는 하나 이상의 비구면 표면들을 가지는 컴팩트 파노라마 카메라.
- 제 25 항에 있어서,
상기 이미지 센서는, 3 차원 감지 표면 및 2 차원 감지 표면 중 적어도 하나를 가지는 컴팩트 파노라마 카메라.
- 제 25 항에 있어서,
상기 고 광학 해상도는, 150 cy/mm에 대해 30% 이상의 다색 회절 변조 전달 함수를 가지는 컴팩트 파노라마 카메라를 포함하는 컴팩트 파노라마 카메라.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020237001380A KR20230014854A (ko) | 2014-09-15 | 2015-09-15 | 컴팩트 파노라마 카메라: 광학 시스템, 장치, 이미지 형성 방법 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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