一种全景成像装置的制作方法

本发明涉及一种全景(360度空间)成像装置，具体涉及一种通过至少三透镜组分别成像于成像面上从而合成无像差全景图像的成像装置。

背景技术：

随着处理器技术和传感器技术的飞速发展，处理大数据量的全景图像数据变得越来越容易实现，带动了诸如虚拟现实(Virtual Reality)系统，增强现实(Augmented Reality)系统的消费电子化应用。同时，对于用户体验的卓越追求，使诸如谷歌(google)街景、Here地图等应用大量的拍摄街景图像以提供基于某一位置或某一视角下的全景图片，以帮助用户足不出户即可了解目标处的情况，识别建筑物等，极大方便了用户的生活。另外一方面，路面交通的复杂度随着机动车的增长，建筑物的增加和城市的日益膨胀也变得突出，城市管理者、机动车生产厂商和驾驶者也希望更多的了解路面实时情况，以尽量全面的数据为基础，利用大数据等技术优化城市交通，避免拥堵和事故。

由此，全景成像装置应运而生，广泛的应用于拍摄VR/AR用原始图像，街景图像，交通监测，安全监控等领域。不同于以往技术中需要通过移动摄像机镜头获得多幅动态拍摄下的图片帧而拼接获得全景图像的方式，全景成像装置利用分布于空间范围(大都以空间上球面分布)内的多个成像透镜组分别成像于相应像面上的图像传感器，再利用图像处理技术将多个图像传感器上的图像进行合成，获得全景图像。这样的全景成像装置拍摄全景图像时无需摄像机镜头运动，拍摄的图像质量高，系统稳定性好，而且获得全景图片的时间明显缩短，类似的产品Giroptic360cam、IC Real Tech Allie、bulbcam等已经在众多众筹平台上亮相，Nokia、Samsung等著名国际厂商也相继发布了OZO、gear360等全景相机。虽然这些产品已经从各种方面优化了成像效果，但受限于光学系统设计的不足，依然无法获得比较友好的全景图像质量，图像合成中造成的无法依靠软件处理消除的畸变使用户在观看这样的图像时存在不适感，影响了用户体验。并且，为了保证成像角度尽可能覆盖较宽的范围从而尽量少的使用光学镜头并减少合像次数，当光学等效距离无法再缩短的情况下，即使利用了折光元件，这些全景成像装置都不可避免的具有一定的体积，对于消费者而言，其携带和使用都造成了一定的负担，装配在其他位置也需要一定的空间，限制了这些产品的广泛普及应用。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种小体积的全景成像装置，在镜头中心位置使用棱镜等光学元件，用于对成像空间进行360度全视场角(全景)成像。根据本发明的全景成像装置，无需摄像头进行运动即可完成全景成像，且交叉视场区的角度重叠较小，能够利用尽可能少的视场边缘图像信息进行合像，成像质量高，消耗图像处理装置的资源少，在充分满足便携式需求的前提下，可以用有限的电池容量支持更长的使用时间。

根据本实用新型的一种全景成像装置，包括外壳以及N个光学成像单元，相邻的光学成像单元的视场范围有重叠；其中，所述每个光学成像单元包括第一透镜组，中间棱镜，第二透镜组和成像器件，相应视场内的光依次经由第一透镜组，中间棱镜，第二透镜组而成像在成像器件上；每个光学成像单元的视场角大于360/N度，N为光学成像单元的个数，且N大于等于3；沿外壳的外周预定方向上，一光学成像单元的第一透镜组和本光学成像单元或另一光学成像单元的成像器件相邻布置。

作为一种实施方式，光学成像单元的个数N等于3，外壳呈类球状，在类球状的外周预定方向上，依次布置有第一光学成像单元的第一透镜组，第三光学成像单元的成像器件，第二光学成像单元的第一透镜组，第一光学成像单元的成像器件，第三光学成像单元的第一透镜组，以及第二光学成像单元的成像器件；所述第一、第二、第三光学成像单元的光轴在中心处相交。

优选的，三个光学成像单元的中间棱镜构成一整体棱镜，所述整体棱镜为一等边六棱镜柱或一不等边六棱镜柱。所述的不等边六棱镜由长边-短边顺序重复3次排列而成，所述长边与各对透镜组相对，所述短边与各成像单元相对。

作为一种变形方式，光学成像单元的个数N等于3时，在类球状的外周预定方向上，依次布置有第一光学成像单元的第一透镜组，第一光学成像单元的成像器件，第二光学成像单元的第一透镜组，第二光学成像单元的成像器件，第三光学成像单元的第一透镜组，以及第三光学成像单元的成像器件；所述第一、第二、第三光学成像单元的光轴延伸线可中心处相交。

在另外的实施例中，每个光学成像单元的中间棱镜均为一五棱镜，所述五棱镜包括面对第一透镜组的第一面和面向成像器件的第二面；从每一光学成像单元第一透镜组入射的光在所述五棱镜的第四面上反射到所述成像单元；五棱镜的第一面和第二面也可以为球面。

根据本发明的另一种实施方式，光学成像单元的个数N等于4，所述四个光学成像单元的中间棱镜形成为一整体棱镜，整体棱镜形成为球状，所述外壳也呈球状，整体棱镜位于所述外壳的中心位置，各光学成像单元的光轴在所述整体棱镜的中心点相交，且各光学成像单 元的光轴之间在空间上呈120度角。

作为变形的方式，当光学成像单元的个数N等于4时，所述整体棱镜可以一正八面体棱镜；由第M光学成像单元的第一透镜组出射的光入射所述正八面体棱镜的一入射面，并从所述正八面体棱镜的与上述入射面平行的出射面出射进入第M光学成像单元的第二透镜组，其中M为1-4中任一数字。

在此方式下，外壳可以为大致球状，第一、第二和第三光学成像单元的光轴在球状的预定圆周上呈约120度平面角度，第四光学成像单元的光轴与第一、第二或第三光学成像单元的光轴之间在空间上呈约120度角。

根据本实用新型的全景成像装置，可以在较小的球状或类球状体积内实现设置多组高像质的光学成像单元，中间棱镜的使用有效减小了每组成像单元的光路所需的空间尺寸；借助较小的视场边缘图像信息进行合像，显著降低了图像处理装置的运算负担，在采用高压缩比的图像处理算法时可以支持更长的拍摄时间，具有良好的用户体验。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例的全景成像装置的截面示意图

图2(a)、(b)为根据本发明第一实施例的全景成像装置的中间棱镜示意图

图3为根据本发明第一实施例的变形例的示意图

图4为根据本发明第二实施例的全景成像装置的立体图

图5为根据本发明第二实施例的变形例的示意图

图6为根据本发明的全景成像装置的另一种空间布置方式俯视图

具体实施方式

以下对本发明示例性实施例进行详细的描述以解释本发明，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。除非有明确的表示，本领域技术人员应当理解的，第一、第二等词汇仅理解为区分不同的部分，而不包含顺序的限定性作用，并且，在不同的实施例中，同样被称为第一部分的组件结构也可以是不相同的。

根据本发明第一实施例的全景成像装置，如图1所示，包括三套光学组件，各套光学组件A11-A13的光轴在同一平面上，且相互之间呈大约120度角，分别面向不同方向的成像区域，且成像区域范围边缘彼此有重叠，优选的，光学组件(以光轴计)A11-A13可以具有相同的光学结构，这样的设置方式将简化成像装置的光学组件生产和组装过程，并且可以减轻 后续图像处理中合成图像的难度。一种示例性的光学组件A11为广角镜头，包括第一透镜组(1)和第二透镜组(2)，其中第一透镜组靠近物侧，而第二透镜组靠近像侧，第一透镜组和和第二透镜组之间具有中间棱镜(M)，典型的中间棱镜为一在垂直于光轴方向的截面呈长方形状的柱状棱镜，并且，进一步的，为了便于制造安装，光学组件A11-A13的中间棱镜可以为一体成型的六面体柱状棱镜，如图2(a)所示，其作用等效于三个呈120度角布置的单一柱状棱镜，以传递来自于相应的各第一透镜组的光进入第二透镜组，并在后续成像器件(3)上成像，所述六面体柱状棱镜可以为等边或不等边形式，作为不等边形式的六面体柱状棱镜，如图2(b)所示，其相邻边对应的中心角的和a1+a2为120度，且长边所对中心角a2与短边所对中心角a1的差大于等于20度。上述光学组件A11-A13形成类球状的全景成像装置时，沿外壳的外周预定方向上，A11光学组件的第一透镜组和非光学组件A11的成像器件相邻布置。

作为一种变形方式，上述第一实施例中的中间棱镜可以形成为对应A11-A13光学组件的三个五边形棱镜，且每个具有全反射表面，来自第一透镜组的光经过五边形棱镜的光入射面进入棱镜中，并在全反射表面上反射，再经由光出射表面出射进入第二透镜组，如图3所示。此时，五边形棱镜的两个相邻表面分别作为光入射面和光出射面，面对第一和第二透镜组。在形成类球状的全景成像装置时，沿外壳的外周预定方向上，A11光学组件的第一透镜组和光学组件A11的成像器件相邻布置。

在上述第一实施例及其变形方式中，各中间棱镜的入射面和出射面可以形成为具有光焦度的球面或者非球面，以提供一定的光焦度，帮助部分像差的校正，从而获得更好的成像质量。

根据本发明的第二实施例，如图4所示，包括四套光学组件，其中，各套光学组件A111-A114的光轴可以不共面(以最外侧的透镜标记作为示意)，四套光学组件的各光轴互相之间均呈120度角，且各光轴均相交于同一点，与上述第一实施例类似的，各套光学组件可以具有相同的光学结构，例如包括第一和第二透镜组，以及中间的中间棱镜。但是，各套光学组件也可以具有不相同的光学结构。

作为本发明第二实施例中的中间棱镜，可以形成为一呈球状的整体棱镜，由于这样的整体棱镜在各角度上均具有相同的性质，因此，当中间棱镜可以呈一球体时，优选采用具有相同光学结构的A111-A114光学组件，各组件光轴呈大约120度的空间角度，从而最大程度上减轻制造难度。此时全景成像装置可形成为标准的球状体，在球状体中心固定有上述整体棱镜。

作为本发明第二实施例中的一种变形方式，中间棱镜可以形成为一八面体的整体棱镜， 如图5所示，其中正八面体的每一对平行平面构成对应于一光学组件A111(或A112-A114任一)的光入射面和出射面，从光学组件A111靠近物侧的第一透镜组出射的经由正八面体的一光入射面，并从与此光入射面平行的光出射面出射，进入光学组件A111靠近像侧的第二透镜组，进而在成像器件上成像。

本领域技术人员能够理解，包括四套光学组件的全景成像装置布局方式也不限于此，如图6所示，本发明的一种全景成像装置的俯视图，在横截面上，光学组件A111-A113之间呈固定角度的，并分别与光学组件A114之间呈空间另一固定角度，光学组件A111-A113具有相同的结构和成像范围，A114不具有与A111相同的结构，同样可以使成像范围可以覆盖360度空间区域，这样的设置可以有效减少大广角光学组件的使用，减轻全景成像装置合成图像时的计算量。

根据本发明的上述各全景成像装置，由于各光学组件最靠近物侧的透镜通常都具有较大的孔径以尽可能的收集大视场范围内的光线，而成像器件通常不具有大尺寸，使用大约6度的图像重叠角度即可满足图像合成的要求，并且为了有效控制到达成像器件上的光线范围，以及沿周布置的紧凑性需要，可选择的，在棱镜的出光面附近设置有光阑。进一步的，本发明的全景成像装置还包括图像合成器，每个光学成像单元获取的图像均传送到图像合成器进行合成以生成全景图像。

本领域技术人员可以理解的，虽然上述实施例中示例了包括3～4套光学组件的全景成像装置，但本发明的全景成像装置不限于此组成，可以包括更多套的光学组件，更多的光学组件使用可以降低每一光学组件成像范围的要求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。