TWI407243B - 全景透鏡及使用該全景透鏡的全景拍攝系統 - Google Patents

全景透鏡及使用該全景透鏡的全景拍攝系統 Download PDF

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Mei Chun Lin
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全景透鏡及使用該全景透鏡的全景拍攝系統
本發明涉及一種全景透鏡及使用該全景透鏡的全景拍攝系統。
先前全景拍攝系統內的全景透鏡通常包括呈凸透鏡狀形成的環形入光面、與所述環形入光面面對地呈環狀形成的環形反射面、設置於所述環形入光面的環內中央處的圓形反射面及設置於所述環形反射面的環狀中央處的圓形出光面。成像光線由所述環形入光面射入後經過所述環形反射面及圓形反射面的反射從所述圓形出光面射出。所述環形反射面上藉由鍍反射膜來反射成像光線。惟係，在所述環形反射面上進行鍍膜的難度較高，大幅地提高製造全景透鏡的成本。
有鑒於此，有必要提供一種製造成本低的全境透鏡及使用該全景透鏡的全景拍攝系統。
一種全景透鏡，其包括可使成像光線從360度折射進入的呈凸透鏡狀鼓起的環形入光面、與環形入光面外圓周邊緣相連接，且向內呈凹透鏡狀陷入的環形反射面、與環形入光面內 圓周邊緣相連接的圓形反射面及與環形反射面內圓周邊緣相連接的圓形出光面。所述環形反射面的中央處形成有向內呈凹透鏡狀陷入的反射部。所述成像光線進入全景透鏡後經由環形反射面及圓形反射面的反射從圓形出光面射出。同一成像光線分別在所述環形入光面和環形反射面上的折射點和反射點的切面之間的夾角與該成像光線在環形入光面上的折射角之和大於所述全景透鏡與空氣之間的全反射臨界角，以使得從環形入光面入射的光線在環形反射面上發生全反射。
一種全景拍攝系統，其從物側到像側依次包括全景透鏡、中繼透鏡、拍攝裝置及顯示裝置。該全景透鏡包括可使成像光線從360度射入的呈凸透鏡狀鼓起的環形入光面、與所述環形入光面外圓周邊緣相連接，且向內呈凹透鏡狀陷入的環形反射面、與環形入光面內圓周邊緣相連接的圓形反射面及與環形反射面內圓周邊緣相連接的圓形出光面。該環形反射面的中央處形成有向內呈凹透鏡狀陷入的反射部。同一成像光線分別在所述環形入光面和環形反射面上的折射點和反射點的切面之間的夾角與該成像光線在環形入光面上的折射角之和大於所述全景透鏡與空氣之間的全反射臨界角，以使得從環形入光面入射的光線在環形反射面上發生全反射。
相對於先前技術，本發明所提供的全景透鏡及使用該全景透鏡的全景拍攝系統根據實現全發射的條件來設置所述環形入光面及環形反射面的位置關係，以使得從所述環形入光面入射的成像光線在所述環形反射面上發生全反射從而不需要在 所述環形反射面上鍍反射膜，降低所述全景透鏡的製作難度，減少所述全景透鏡的製作成本。
1‧‧‧全景拍攝系統
10‧‧‧全景透鏡
12‧‧‧中繼透鏡
14‧‧‧拍攝裝置
16‧‧‧顯示裝置
100a‧‧‧第一內圓周邊緣
100b‧‧‧第一外圓周邊緣
102a‧‧‧第二內圓周邊緣
102b‧‧‧第二外圓周邊緣
104‧‧‧圓形反射面
104a‧‧‧反射部
104b‧‧‧連接部
140‧‧‧成像透鏡組
142‧‧‧影像感測器
S1‧‧‧環形入光面
S2‧‧‧環形反射面
S3‧‧‧內凹曲面
S4‧‧‧圓形出光面
S5‧‧‧入光面
S6‧‧‧出光面
B‧‧‧反射點
SA、SB‧‧‧切面
L‧‧‧成像光線
A‧‧‧折射點
F1、F2‧‧‧法線
圖1係本發明實施方式提供的全景拍攝系統的結構示意圖。
圖2係圖1中全景拍攝系統的全景透鏡的局部光路圖。
如圖1所示，本發明實施方式提供一種全景拍攝系統1，其從物側O到像側I依次包括全景透鏡10、中繼透鏡12、拍攝裝置14及顯示裝置16。直線OI為該全景拍攝系統1的光軸。
所述全景透鏡10由光學玻璃或透鏡樹脂等形成，所述全景透鏡10的幾何對稱軸線與所述全景透鏡10的光軸OI共軸。所述全景透鏡10包括環形入光面S1、環形反射面S2、圓形反射面104及圓形出光面S4。
所述環形入光面S1近似於一個圓臺體的側面，其包括位於所述環形入光面S1一端的第一內圓周邊緣100a及位於所述環形入光面S1另一端且與所述第一內圓周邊緣100a平行相對的第一外圓周邊緣100b。以物側方向為參照，所述環形入光面S1具有正曲率半徑，其向外呈凸透鏡狀鼓起以使環繞所述環形入光面S1的光線從360度投射到環形入光面S1上。
所述環形反射面S2具有與所述環形入光面S1相類似的形狀，其包括位於所述環形反射面S2一端的第二內圓周邊緣102a及位於所述環形反射面S2另一端且與所述第二內圓周 邊緣102a平行相對的第二外圓周邊緣102b。所述環形反射面S2的第二外圓周邊緣102b與所述環形入光面S1的第一外圓周邊緣100b相連接。以物側方向為參照，所述環形反射面S2具有正曲率半徑，其向內呈凹透鏡狀陷入以將由相鄰的環形入光面S1折射進入的成像光線反射至所述圓形反射面104上。
所述圓形反射面104與所述環形入光面S1的第一內圓周邊緣100a相連接，其包括反射部104a及連接部104b。所述光軸OI穿過所述圓形反射面104的幾何對稱中心。所述圓形反射面104的中央處向內呈凹透鏡狀陷入以形成所述反射部104a。所述反射部104a為一內凹曲面S3，以物側方向為參照，所述內凹曲面S3具有負曲率半徑。所述反射部104a的週邊形成平面圓環狀的連接部104b，所述連接部104b用於連接所述環形入光面S1與圓形反射面104上的反射部104a。所述反射部104a上鍍有反射膜，以將從所述環形反射面S2反射過來的成像光線L進一步反射至所述圓形出光面S4。
所述圓形出光面S4與所述環形反射面S2的第二內圓周邊緣102a相連接。所述光軸OI穿過所述圓形出光面S4的幾何對稱中心。以物側方向為參照，所述圓形出光面S4具有負曲率半徑，其向外呈凸透鏡狀鼓起以將由所述圓形反射面104反射過來的成像光線折射出所述全景透鏡10。
所述中繼透鏡12為一正屈光度透鏡，其包括靠近物側O的入光面S5及靠近像側I的出光面S6。以物側方向為參照，所 述入光面S5及所述出光面S6均具有正曲率半徑。所述中繼透鏡12用於將從全景透鏡10射出的成像光線朝光軸OI彙聚。
所述拍攝裝置14包括成像透鏡組140及設置於所述成像透鏡組140的成像位置處的影像感測器，如：電荷耦合器件圖像感測器(CCD,Charge Coupled Device)或互補金屬氧化物半導體圖像感測器(CMOS,Complementary Metal Oxide Semiconductor)以及其他圖中未示出的必要的控制元件。
所述全景透鏡10所捕捉的360度全景風景11經過中繼透鏡12和成像透鏡組14後於所述影像感測器142上成像。所述影像感測器142將形成的全景圖像轉換為對應的電信號，並液晶、CRT等各種顯示裝置16進行顯示。
如圖2所示，其為成像光線在所述環形入光面S1與所述環形反射面S2之間的光路圖。所述成像光線L由所述環形入光面S1上的任意點A折射進入全景透鏡10內部再於所述環形反射面S2上的一點B上進行全反射。其中，SA為經過所述折射點A的切面，SB為經過所述反射點B的切面，F1為折射點A的法線，F2為反射點B的法線，∠1為所述成像光線L於折射點A處的折射角，∠3為所述成像光線L於反射點B處的入射角，∠2為∠3的餘角，∠5為切面SA與切面SB的夾角，∠4為∠5的餘角。所述法線F1與所述切面SB相交於D。根據圖2中所表示的幾何關係可得到方程式：
由所述方程式化簡後可得出關係式：∠1+∠5=∠3。若要確保所述成像光線L在所述環形反射面S2上進行全反射，則所述成像光線L於反射點B處的入射角∠3大於所述全景透鏡材料與空氣之間的全反射臨界角θ，即：∠1+∠5=∠3>θ。所以，最後得到若要確保所述成像光線L在所述環形反射面S2上可以進行全反射，則所述環形入光面S1與環形反射面S2之間的位置關係需要滿足條件：∠1+∠5>θ，即：同一成像光線L分別在所述環形入光面S1和環形反射面S2上的折射點A和反射點B的切面SA與SB之間的夾角與該成像光線L在所述環形入光面S1上折射角之和大於該全景透鏡材料與空氣之間的全反射臨界角θ。
根據成像光線L在環形反射面S2上進行全反射的條件：∠1+∠5>θ使用光學設計軟體進行光路類比優化後可以得到所述環形入光面及環形反射面的面型參數。
以下結合附表以具體實施方式進一步詳細說明全景透鏡系統1中的全景透鏡10及中繼透鏡12。其中，R為對應表面的曲率半徑，D為對應表面到後一個表面(像側)的軸上距離(兩個表面截得光軸的長度)，Nd為對應鏡片的折射率。
表1
在本實施方式中，全景透鏡10和中繼透鏡12的每個光學表面均採用非球面。
非球面的運算式如下：
其中，z是沿光軸方向在高度為y的位置以表面頂點作參考距光軸的位移值，R為曲率半徑，y為鏡片高度，k為圓錐定數(Coin Constant)，A4為四次的非球面係數(4 th order Aspherical Coefficient)，A6為六次的非球面係數(6 th order Aspherical Coefficient)。全景透鏡10及中繼透鏡12的非球面係數表如下：
相對於先前技術，本發明所提供的全景透鏡及使用該全景透鏡的全景拍攝系統根據實現全發射的條件來設置所述環形入光面及環形反射面的位置關係，以使得從所述環形入光面入射的成像光線在所述環形反射面上發生全反射從而不需要在所述環形反射面上鍍反射膜，降低所述全景透鏡的製作難度，減少所述全景透鏡的製作成本。
本技術領域的普通技術人員應當認識到，以上的實施方式僅係用來說明本發明，而并非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神範圍之內，對以上實施例所作的適當改變和變化均落在本發明要求保護的範圍之內。
1‧‧‧全景拍攝系統
10‧‧‧全景透鏡
12‧‧‧中繼透鏡
14‧‧‧拍攝裝置
16‧‧‧顯示裝置
100a‧‧‧第一內圓周邊緣
100b‧‧‧第一外圓周邊緣
102a‧‧‧第二內圓周邊緣
102b‧‧‧第二外圓周邊緣
104‧‧‧圓形反射面
104a‧‧‧反射部
104b‧‧‧連接部
140‧‧‧成像透鏡組
142‧‧‧影像感測器
S1‧‧‧環形入光面
S2‧‧‧環形反射面
S3‧‧‧內凹曲面
S4‧‧‧圓形出光面
S5‧‧‧入光面
S6‧‧‧出光面

Claims (9)

  1. 一種全景透鏡，其包括可使成像光線從360度折射進入的呈凸透鏡狀鼓起的環形入光面、與所述環形入光面外圓周邊緣相連接，且向內呈凹透鏡狀陷入的環形反射面、與所述環形入光面內圓周邊緣相連接的圓形反射面及與所述環形反射面內圓周邊緣相連接的圓形出光面，所述環形反射面的中央處形成有向內呈凹透鏡狀陷入的反射部，所述成像光線進入全景透鏡後經由環形反射面及圓形反射面的反射從圓形出光面射出，同一成像光線分別在所述環形入光面和環形反射面上的折射點和反射點的切面之間的夾角與該成像光線在環形入光面上的折射角之和大於所述全景透鏡與空氣之間的全反射臨界角，以使得從所述環形入光面入射的成像光線在所述環形反射面上發生全反射。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之全景透鏡，其中，所述環形入光面包括第一內圓周邊緣及與所述第一內圓周邊緣平行相對的第一外圓周邊緣，所述環形反射面包括第二內圓周邊緣及與所述第二內圓周邊緣平行相對的第二外圓周邊緣，所述環形反射面的第二外圓周邊緣與所述環形入光面的第一外圓周邊緣相連接，以物側方向為參照，所述環形入光面及環形反射面均具有正曲率半徑。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之全景透鏡，其中，所述圓形反射面於反射部週邊形成一平面圓環狀的連接部，所述連接部 用於連接所述環形入光面與圓形反射面上的反射部，所述反射部為一內凹曲面，以物側方向為參照，所述內凹曲面具有負曲率半徑且鍍有反射膜。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之全景透鏡，其中，以物側方向為參照，所述圓形出光面具有負曲率半徑且向外呈凸透鏡狀鼓起。
  5. 一種全景拍攝系統，其從物側到像側依次包括全景透鏡、中繼透鏡、拍攝裝置及顯示裝置，所述全景透鏡包括可使側向光從360度全周射入的呈凸透鏡狀鼓起的環形入光面、與位於環形入光面一端的環形入光面外圓周邊緣相連接且向內呈凹透鏡狀陷入的環形反射面、與位於環形入光面另一端的環形入光面內圓周邊緣相連接的圓形反射面及與位於環形反射面一端的環形反射面內圓周邊緣相連接的圓形出光面，所述環形反射面的中央處形成有向內呈凹透鏡狀陷入的反射部，同一成像光線分別在所述環形入光面和環形反射面上的折射點和反射點的切面之間的夾角與該成像光線在環形入光面上的折射角之和大於所述全景透鏡與空氣之間的全反射臨界角，以使得從所述環形入光面入射的成像光線在所述環形反射面上發生全反射。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之全景拍攝系統，其中，所述圓形反射面於反射部週邊形成一平面圓環狀的連接部，所述連接部用於連接所述環形入光面與圓形反射面上的反射部，所述反射部為一內凹曲面，以物側方向為參照，所述內凹曲面具有負曲率半徑且鍍有反射膜。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之全景拍攝系統，其中，以物側方向參照，所述圓形出光面具有負曲率半徑且向外呈凸透鏡狀鼓起。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之全景拍攝系統，其中，所述中繼透鏡為一正屈光度透鏡，其包括靠近物側的入光面及靠近像側的出光面，以物側方向為參照，所述入光面及出光面均具有正曲率半徑。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之全景拍攝系統，其中，所述拍攝裝置包括成像透鏡組及設置於所述成像透鏡組的成像位置處的影像感測器。
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