專利名稱：一種廣角鏡頭和基于該鏡頭的攝像機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鏡頭及攝像機，特別是指一種廣角鏡頭和基于該鏡頭的攝像機。
背景技術：
目前，可用于大范圍景物拍攝的廣角攝影或攝像鏡頭及基于廣角鏡頭制成的攝像機大體上有以下幾類采用單一透鏡的廣角鏡頭，參見圖1所示，這是最普通的一類廣角鏡頭，這種鏡頭通過增大透鏡101鏡片的中間厚度來實現大的拍攝角度。通常為了增大接收光的范圍，而使鏡面變為非球面。但是，從圖1中可看出，由于光學成像原理上的限制，接近于180°視角域的點發來的光線根本無法近似匯聚到一點而成像，因此這種鏡頭攝像角度較窄，無法實現全視角的攝像效果，一般來說采用這一類廣角鏡頭的攝像機的攝像角度最多只能達到150°左右。
采用超廣角鏡頭的攝像機，其結構參見圖2所示。由凸面鏡201、凸透鏡202和用于光信號接收和信號處理單元，即203轉換電荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)單元組成，它的缺點由于信號處理單元203位于景物與凸面鏡之間，因此畫面中間總有一個區域不能夠拍攝到，此區域的大小如圖2中所示GC、HD所圍成圓錐形范圍。并且信號處理單元203的數據引線是從拍攝圖象的一端引出，這也在很大程度上影響了使用。
還有一類超廣角攝像機是通過復合鏡頭實現的，復合鏡頭內含有多個鏡頭，一般至少4個，每個鏡頭拍攝一個范圍，然后通過對多個鏡頭拍攝的圖片進行拼接來實現超廣角的拍攝效果。這種方法的最大問題是多個鏡頭所拍下的圖像很難無縫的密接。
發明內容
有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種廣角鏡頭和基于該鏡頭的攝像機。能夠不被遮擋地完整拍攝下近180°視角范圍內的景物，并且所拍攝的畫面具有良好的密接性。
根據上述目的的一個方面本發明提出了一種廣角鏡頭，至少包括凸面鏡、凸透鏡、半反半透鏡和薄透鏡；在凸面鏡的中心有一圓孔，圓孔的半徑與凸面鏡球面半徑的比值不大于sin45°；凸透鏡嵌于凸面鏡的圓孔上；半反半透鏡和薄透鏡依次位于凸面鏡的正前方，并且凸面鏡、凸透鏡、半反半透鏡和薄透鏡的光心在同一條光軸上；凸透鏡、薄透鏡、半反半透鏡三者的位置，以及凸透鏡和薄透鏡的焦距使通過第一種成像途徑成像的物點集合的內邊界與通過第二種成像途徑成像的物點集合的外邊界其在凸面鏡后所成實像正好重合；其中，所述第一種成像途徑為從物點發出的入射光經過凸面鏡和半反半透鏡兩次反射后射入凸透鏡，并經凸透鏡折射后在凸面鏡的后方成實像的途徑；第二種成像途徑為從物點發出的入射光射入薄透鏡，經過薄透鏡折射后，透過半反半透鏡射入凸透鏡，再經凸透鏡折射后在凸面鏡的后方成實像的途徑。
該鏡頭所述半反半透鏡的鏡面是平面，薄透鏡是凹透鏡。
該鏡頭所述半反半透鏡的鏡面是球面，薄透鏡是凹透鏡，半反半透鏡的凸面朝向薄透鏡。
該鏡頭所述半反半透鏡的鏡面是球面，薄透鏡是凹透鏡，半反半透鏡的凸面背向薄透鏡。
該鏡頭所述半反半透鏡的鏡面是球面，薄透鏡是凸透鏡，半反半透鏡的凸面朝向薄透鏡。
該鏡頭所述半反半透鏡的口徑不小于所述凸面鏡的圓孔直徑。
該鏡頭所述的半反半透鏡的口徑不大于與其光心在同一位置的光軸垂面與邊界圓臺側面所交而成的圓的直徑。
其中，所述邊界圓臺的上底面是凸面鏡圓孔，其下底面是在一個與光軸垂直的平面上通過第二種成像途徑成實像的所有物點集合所成的圓。
該鏡頭所述的薄透鏡的口徑不大于與其光心在同一位置的光軸垂面與邊界圓臺側面所交而成的圓的直徑。
其中，所述邊界圓臺的上底面是凸面鏡圓孔，其下底面是在一個與光軸垂直的平面上通過第二種成像途徑成實像的所有物點集合所成的圓。
該鏡頭所述凸面鏡與半反半透鏡的圓形邊界之間通過無色透明材料連接。
該鏡頭所述半反半透鏡與薄透鏡之間的圓形邊界通過透明或不透明材料連接。
根據本發明目的的另一個方面，本發明提供了一種基于該鏡頭的攝像機，至少包括廣角鏡頭，并包括光接收處理單元，光接收處理單元的光接收部分位于所述廣角鏡頭正后方的實像平面上。
該攝像機所述光接收處理單元的位置是固定的，其所在的實像平面的位置由設計鏡頭時確定的最佳成像物面的位置決定。
該攝像機所述光接收處理單元包括用于光電轉換的電荷耦合器件(CCD)和用于信號格式轉換并校正信號的信號處理電路，CCD位于所述廣角鏡頭正后方的實像平面上，CCD的輸出連至信號處理電路的輸入。
該攝像機所述信號處理電路包括格式轉換電路、模擬轉數字電路和數字校正電路，CCD將光信號轉換成CCD格式的電信號輸入至格式轉換電路，進行格式轉換后輸入至模擬轉數字電路，轉換成數字信號輸入至數字校正電路，對數字信號進行校正后輸出。
該攝像機所述光接收處理單元包括用于光電轉換的CMOS光電轉換器件和用于信號格式轉換并校正信號的信號處理電路，CMOS光電轉換器件設置于所述廣角鏡頭正后方的實像平面上，CMOS光電轉換器件的輸出連至信號處理電路。
該攝像機所述信號處理電路包括格式轉換電路、模擬轉數字電路和數字校正電路，CMOS將光信號轉換成CMOS格式的電信號輸入至格式轉換電路，進行格式轉換后輸入至模擬轉數字電路，轉換成數字信號輸入至數字校正電路，對數字信號進行校正后輸出。
由上述方案可以看出本發明所提供的廣角鏡頭由一組反射鏡和透射鏡組成的光學鏡組構成，理論上可對180°視角范圍內的景物成像，通過合理的擺放鏡片位置，選擇鏡片參數，使鏡頭所成圖像密接性效果良好。基于該鏡頭的攝像機可完整拍攝下近180°視角范圍內的景物，并且光接收處理單元還可以對鏡頭所成的圖像進行校正得到滿意的畫面效果。
圖1為現有技術采用單一透鏡的廣角鏡頭的結構及成像示意圖；圖2為現有技術一種超廣角攝像機及鏡頭的結構示意圖；圖3為本發明第一個實施例的攝像機及廣角鏡頭的結構示意圖；圖4為本發明第一實施例中確定凸面鏡孔徑與其球面半徑關系的示意圖；圖5為本發明第一實施例中確定凸面鏡口徑范圍的示意圖；圖6為本發明第一實施例中確定A點及其虛像點A1′位置的示意圖；圖7為本發明第一實施例中確定兩種成像途徑分界位置的示意圖；圖8為本發明第一實施例中確定其它光學元件位置及參數的示意圖；圖9為本發明第一實施例的信號處理單元結構示意圖；圖10為本發明第一實施例信號處理單元中數字校正電路的結構示意圖；圖11為本發明第一實施例逐個像素存儲校正參數獲取裝置的結構示意圖；圖12為本發明第二實施例的攝像機及廣角鏡頭的結構示意圖；
圖13為本發明第三實施例的攝像機及廣角鏡頭的結構示意圖；圖14為本發明第四實施例的攝像機及廣角鏡頭的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明再作進一步詳細的說明。
本發明的廣角鏡頭通過凸面鏡、凸透鏡、半反半透鏡和薄透鏡組合而成，理論上可對180°視角范圍內的景物成像，實際攝像角度超過170°，具有超大角度的攝像范圍。本發明的基于該鏡頭的攝像機其光接收和處理單元位于鏡頭的后方，不會擋住光線的射入，并具有信號校正功能，對廣角鏡頭所成的圖像進行校正，以彌補鏡頭所成圖像亮度不均的缺陷。
本發明第一個較佳實施例廣角鏡頭和基于該鏡頭的攝像機的結構參見圖3所示。圖3是本實施例的整個攝像機的結構，包括光接收處理單元和廣角鏡頭兩部分。組成廣角鏡頭的鏡片從左至右依次為凸面鏡301、凸透鏡302、半反半透鏡303和凹透鏡304。其中，在凸面鏡301的中心留有一孔，凸透鏡302嵌入該孔之中；凸面鏡301和半反半透鏡303通過無色透明的錐形框體305連接；半反半透鏡303與凹透鏡304通過框體306連接，該框體306視不同情況可以是透明或不透明、錐形或柱形。在直線GC和HD所圍成的錐形范圍之外的景物將經由凸面鏡301、半反半透鏡303反射后經凸透鏡302成像并被光電轉換器件接收，這在本文中稱之為第一種成像途徑；而在直線GC和HD所圍成的錐形范圍之內的景物則是由凹透鏡304折射后穿過半反半透鏡303經凸透鏡302成像并被光電轉換裝置接收，此稱之為第二種成像途徑。
光接收處理單元可采用信號處理單元203或CMOS光電轉換器件等，本實施例中選擇采用CCD和信號處理電路組成的信號處理單元203，將CCD設置在凸透鏡302某個實像的像平面上，將物體所成的像轉化為逐個像素的電信號，并由信號處理電路轉換成標準的視頻信號格式。下面結合附圖詳細說明本實施例廣角鏡頭各鏡片位置關系和鏡片參數的確定，以及攝像機中信號處理單元203與廣角鏡頭的位置關系。
在確定廣角鏡頭各鏡片參數之前，可先根據鏡頭應用環境等實際需要確定一個較佳的凸面鏡301的球面半徑R，以下簡稱凸面鏡301的半徑。
然后，再根據已知的凸面鏡301半徑R確定凸面鏡301圓孔半徑的允許范圍。
在本發明中對于確定的凸面鏡半徑R，凸面鏡301的圓孔半徑將有一個上限。參見圖4所示，設凸面鏡301圓孔半徑為r，G是圓孔的上端點，G點到光軸的距離即為圓孔半徑r，G′是G在半反半透鏡303中所成虛像點，O是凸面鏡301球面的球心。欲使從180°視角域W點垂直光軸射向圓孔上端點G的入射光線WG經凸面鏡301和半反半透鏡303兩次反射后進入凸透鏡302，而不是超過凸面鏡圓孔的上邊緣G，則G點的位置不能過高。從圖4中可以看出，其臨界情況是，到達G點的從180°視角域射來的光線經凸面鏡301反射后，其反射光線的延長線不超過G的像點G′。
求此臨界情況下r與R的關系。如圖4所示，極限情況下的反射光線GG′與光軸平行，所以此時反射光線GG′與從180°視角域射來的入射光線WG垂直，∠WGG′＝90°。根據反射定律，入射角等于反射角，法線OK應該平分∠WGG′，因此此種情況反射角的臨界角∠KGG′＝45°。
又∠KGG′＝∠KOE，設∠KOE＝αr，根據以上分析，若要使W點的光線WG能夠射入到凸透鏡302，則應該有αr≤45°。再根據三角函數關系r/R＝sinαr，因此得到r/R≤sin45°(1)可以看出凸面鏡301的圓孔不能開得過大，否則將影響180°視角域內光的接收，但凸面鏡301的圓孔孔徑也不宜過小，過小則會影響進光量。因此在設計時可根據具體情況設計較佳的圓孔孔徑。
凸面鏡301的圓孔確定下來之后，在圓孔中嵌入凸透鏡302，如圖4所示。凸透鏡302的光心位于凸面鏡301圓孔的孔心。
為了使本實施例廣角鏡頭的成像角度達到180°，需要限定凸面鏡301口徑的允許最小值參見圖5所示，H是凸透鏡302的下端點，也即圓孔的下端點，H′是H關于半反半透鏡303的虛像點，Q是凸面鏡301的上端點。欲使180°視角域W點垂直光軸射向Q點的光線WQ經凸面鏡301和半反半透鏡303兩次反射后不超過凸透鏡302的下邊緣，則至少需使從180°視角域射來的光線經凸面鏡301反射后到達H的像點H′。設此臨界情況下反射角∠KQH′＝γH，從圖5中可以看出，只有當180°視角域垂直光軸射來的光線的入射點在Q點之后時，才能到達凸透鏡302，因此必須使凸面鏡301的邊界選取在Q點之后才能保證對180°視角域光線的接收和成像。
下面結合圖5計算該臨界角γH。設Q到光軸的距離即凸面鏡301口徑的一半為h，凸透鏡302光心到半反半透鏡303之間的距離為d，∠QOE＝α，在此臨界情況下時，α＝α0，h為h0，由三角關系可得到sinα0＝h0/R，α0＝arcsinh0/R。三角形內外角關系可知γH＝∠QOE+∠QVO＝α0+∠QVO。
從Q點向光軸OE做垂線，設垂足為Q′，凸透鏡302的光心為M，它經半反半透鏡303所成虛像501的光心為M′，QH′與光軸OE交于V，并由sinαr＝r/R，得arcsin(r/R)＝αr，則由三角關系和相似性定理可得ctg∠QVO＝Q′V/QQ′＝Q′M′/(QQ′+H′M′)＝{Rcos[arcsin(r/R)]+2d-Rcos[arcsin(h0/R)]}/(h0+r)＝{Rcos[arcsin(αr)]+2d-Rcosαr}/(Rsinα0+r)所以得到γH＝α0+arcctg{Rcos[arcsin(αr)]+2d-Rcosαr}/(Rsinα0+r)又從圖6知α+∠WQK＝90°，在臨界情況下時入射角/WQK＝∠KQH′＝γH＝90°-α0，從而得到90°-α0＝α0+arcctg{Rcos[arcsin(αr)]+2d-Rcosα0}/(Rsinα0+r) (2)通過(2)式即可求出α0的值，此為α的最小臨界角，它與凸面鏡301半徑R、圓孔半徑r以及凸透鏡302到半反半透鏡303的距離d有關。確定了α0，凸面鏡301的口徑最小值h0即可以通過sinα0＝h0/R確定了。
這樣就可以根據上述(1)、(2)式的約束條件并結合實際需要，確定出一組較佳的凸面鏡301口徑h和圓孔半徑r。
下面確定一組特殊的物點及它們的像點，以便進一步確定本發明廣角鏡頭鏡片的其余參量，以及攝像機中信號處理單元203的位置。
參見圖6所示，首先，在180°視角域選取一物點A，A點到凸面鏡301所在光軸的距離即為本發明攝像鏡頭在180°視角域具有最佳成像效果的物點的距離，這是因為本發明的攝像鏡頭是固定焦距的，因此需要在設計中首先根據攝像鏡頭的安裝位置、用途等因素確定出它的最佳成像效果的物距。
參見圖6，從180°視角域的A點發來的光經凸面鏡301反射后可在凸面鏡301后方成一虛像A1′。沿光軸方向緩慢移動A點，必會有從A點發來的兩條光線經凸面鏡301和半反半透鏡303反射后分別與凸透鏡302的上下邊緣相切，如圖6所示，根據光路可逆也可以看作這兩條反射光線的延長線與凸透鏡302在半反半透鏡303上的所成虛像501的上下邊緣向切。由于A點與凸面鏡301距離較遠，因此為了簡化計算可將從A點發來的光線近似看成平行光。A點的確定可通過使A點沿光軸逐點移動的逐點作圖方法來實現，也可以采用計算機模擬得到。A點確定后即可確定其在凸面鏡301上所成的虛像點A1′的位置。同樣，在光軸下方與A點對稱的位置也會有一點B，B點所成的虛像B1′也與A1′點對稱，事實上這樣的點還有很多，它們共同組成過A、B點與光軸垂直的圓環。并且過A1′、B1′形成的一個與光軸垂直的像平面A1′B1′。
下面再來確定通過第一種成像途徑和第二成像途徑成像的物點位置的分界線，即圖3中直線GC、HD的位置。
參見圖7所示，在圖中所示平面上，根據幾何光學原理，凸面鏡圓孔的上端點G應該是分界線GC起點，沿直線GC射向凸面鏡301的入射光線CG經凸面鏡301反射后的反射光線應指向G在半反半透鏡303上所成的虛像G′，因此GG′應是入射光線CG的反射光線。
這樣就可以通過反射定律反推出GG′的入射光線CG。如果在GC直線上選取一物點C，使C點在凸面鏡301上成的虛像點C′位于A1′B1′像平面上，則像點C1′應是GG′反向延長線與A1′B1′像平面的交點。根據凸面鏡301的幾何光學特性，從C點發出的光線中，會有一條是正射到凸面鏡301上的入射光線CO，此條光線的延長線經過虛像點C1′和凸面鏡301的球心O。于是，就可以得到物點C的位置，即為兩條入射光線所在直線OC1′和GC的交點。同樣，在與C和C1′點相對光軸對稱的位置也會對應的有物點D和它的像點D1′。這樣就可確定出兩條分界直線GC、HD。
半反半透鏡303口徑范圍的確定由上面的分析可知，在光軸上方從鏡頭前的物體發射出的光線經凸面鏡301反射后反射光線最高不能超過反射光線GG′，同樣在光軸下方反射光線不能超過HH′，因此半反半透鏡303的口徑不能小于GG′和HH′的距離2r；半反半透鏡303的口徑最大則不能大于直線GC、HD所在錐面的范圍，即以凸面鏡301的圓孔GH平面和CD平面為上下底面的圓臺側面，否則由上面分析可知將擋住一部分經凸面鏡301反射后進入凸透鏡302的入射光，這樣可能會造成部分區域不可見以及一部分物點的圖像變暗。
凹透鏡304位置及參數的確定參見圖8所示，C1″、D1″是C1′、D1′關于半反半透鏡303所成的虛像，C2′、D2′是C、D通過凹透鏡304所成的虛像點。為了使同一物點通過不同路徑經凸透鏡302后在同一點成像，根據幾何光學原理必須使C2′、D2′與C1″、D1″重合。這樣凹透鏡304成像的一組物點C、D和像點C2′、D2′位置確定了。設凹透鏡304光心為O1，根據凹透鏡成像原理，連接物點和像點的入射光線CC2′與光軸的交點即為凹透鏡304的光心位置，這樣可確定凹透鏡的光心O1位置。進而可以確定凹透鏡304的焦距，設凹透鏡304光心O1與像平面C2′D2′距離為d1，O1與物平面CD距離為d2，凹透鏡304焦距為fA，則根據凹透鏡304成像公式1/fA＝1/d1-1/d2，得fA＝d2d1/(d2-d1)(3)求出凹透鏡304焦距。至此可以看出，成像在像平面A1′B1′上的物點的集合，即物面實際上是CD所在的與像平面A′B′平行的圓形平面加上以AB環為邊緣的一段旋轉對稱的弧面。
信號處理單元203中CCD的位置及凸透鏡302焦距的確定仍參見圖8所示，設平面A1′B1′與光軸交于Ov，Ov與光心O的距離OOv＝L，平面C2′D2′與凸透鏡302的距離d3為d3＝Rcosαr-L+2d，CCD與凸面鏡301的距離為d4，若要使CCD能夠接收到C2′通過凸透鏡302成的像，該像事實上也就是物點C透過凹透鏡304、半反半透鏡303和凸透鏡302后所成的像，則應把視d3為物距，d4視為像距，于是根據凸透鏡302成像公式，1/fT＝1/d3+1/d4，得凸透鏡302的焦距fT＝d3d4/(d3+d4) (5)由(5)式可看出凸透鏡302的焦距與CCD和半反半透鏡303的位置、凸面鏡301的半徑、凸面鏡301口徑等多個因素有關。凹透鏡304的口徑為了盡量增大入射光線的數量，較佳的應使其邊緣剛好達到GC、HD所圍錐面。
這樣，根據上面所述的約束條件并結合實際應用中的需要，即可確定本發明的廣角攝像鏡頭各部分組件的位置和口徑、焦距等參數，以及信號處理單元203的位置。
本實施例攝像機的光接收處理單元采用CCD和信號處理電路組成的信號處理單元203，由CCD將物體所成的像轉化為逐個像素的電信號，并由信號處理電路轉換成標準的視頻信號格式。參見圖9所示，信號處理單元203包括CCD和信號處理電路部分，信號處理電路具體包括格式轉換電路901、模擬轉數字電路902和數字校正電路903。CCD將所接收的光信號轉換成CCD專用視頻信號格式，由格式轉換電路901轉換成復合視頻信號(Composite Video)、亮色分離視頻信號(S-Video)或紅綠藍三色分離信號(RGB)等形式的模擬信號，然后進入模擬轉數字電路902轉換成數字YUV視頻分量信號或RGB視頻信號后進入數字校正電路903進行校正，最后再將校正后的數字YUV或RGB視頻信號輸出到監視器或存儲設備等。
其中的數字校正電路903主要是為了解決本發明廣角鏡頭成像亮度上的不均勻現象。數字校正電路903的具體結構參見圖10所示，主要包括校正運算器1001和存儲器1002。存儲器1002中保存著包含逐個像素存儲校正參數的校正參數表，存儲器1002可以是閃存(FlashROM)或E2PROM。校正運算器1001接收到由數字校正電路903發送來的數字YUV或RGB視頻信號后通過讀取、對照存儲器1002中的校正參數表對輸入信號進行校正，然后將校正后的數字YUV或RGB視頻信號輸出。
為了得到校正參數表中的逐個像素存儲校正參數需要針對所使用的鏡頭對CCD進行初始校正。初始校正的方案目前已發展得很成熟普遍，原理和方法如下將鏡頭置于亮度均勻的光學測試間里，以此鏡頭拍攝圖像，得到一個亮度不均勻的圖像I(i，j)。
將此圖像與標準亮度均勻像I(i，j)＝I0比較，依次為每一象素計算得到一個校正系數k(i，j)＝I0/I(i，j)。
此后使用此鏡頭進行攝像時對鏡頭上每一象素的亮度都乘上一個校正系數，即可得到亮度與實際物景一致的像。
逐個像素存儲校正參數獲取裝置的結構參見圖11所示。包括CCD、格式轉換電路901、模擬轉數字電路902、校正參數生成運算器1101和存儲器1002。將CCD置于均勻光環境下，CCD接收的均勻光信號轉換成CCD專用視頻信號格式，經過與圖9中相同的格式轉換電路901、模擬轉數字電路902的處理后轉換為數字YUV或者RGB視頻信號后進入校正參數生成運算器1101，計算出逐個像素存儲校正參數后在存儲器1002中進行保存。
本發明裝置在制作時，連接凸面鏡301與半反半透鏡303的框體305為了不擋住光線的入射可采用玻璃等透明材料，至于連接半反半透鏡303與凹透鏡304的框體306則可任意選擇透明或不透明材料，并較佳的使框體306與CO1和DO1所圍成的錐體剛好相交，從而擋住多余的光線進入凹透鏡304。
本發明廣角鏡頭的拍攝角度可以達到170°以上，理論上可以達到180°，遠遠大于一般廣角鏡頭的拍攝角度，并且所拍攝的畫面密接性好。雖然畫面略有變形，但可以很好地滿足在一些特定場合的應用需求。
另外，本發明廣角鏡頭并不只限于第一個實施例所述的結構，下面對其它的實施方式作簡要介紹。
本發明第二個較佳實施例參見圖12所示，其半反半透鏡1201的鏡面采用球面，并且球面朝向凹透鏡304。
本發明第三個較佳實施例為圖13所示結構，是將第二個實施例的凹透鏡304換成凸透鏡1301。
本發明第三個較佳實施例為圖14所示結構，與第二個實施例的區別是將半反半透鏡1401的球形鏡面的背向指向凹透鏡304。
總之，本發明廣角鏡頭的半反半透鏡和凹透鏡部分可以采用不同組合，具有多種結構形式，其位置關系和焦距、口徑等參數的確定與第一個實施例中的方法類似，本發明基于該廣角鏡頭攝像機的信號處理單元203位置均設置于廣角鏡頭之后，因此不會阻擋光線的射入，CCD位置的確定也與第一個實施例所述方法類似。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，幾在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種廣角鏡頭，其特征在于至少包括凸面鏡、凸透鏡、半反半透鏡和薄透鏡；在凸面鏡的中心有一圓孔，圓孔的半徑與凸面鏡球面半徑的比值不大于sin45°；凸透鏡嵌于凸面鏡的圓孔上；半反半透鏡和薄透鏡依次位于凸面鏡的正前方，并且凸面鏡、凸透鏡、半反半透鏡和薄透鏡的光心在同一條光軸上；凸透鏡、薄透鏡、半反半透鏡三者的位置，以及凸透鏡和薄透鏡的焦距使通過第一種成像途徑成像的物點集合的內邊界與通過第二種成像途徑成像的物點集合的外邊界其在凸面鏡后所成實像正好重合；其中，所述第一種成像途徑為從物點發出的入射光經過凸面鏡和半反半透鏡兩次反射后射入凸透鏡，并經凸透鏡折射后在凸面鏡的后方成實像的途徑；第二種成像途徑為從物點發出的入射光射入薄透鏡，經過薄透鏡折射后，透過半反半透鏡射入凸透鏡，再經凸透鏡折射后在凸面鏡的后方成實像的途徑。
2.根據權利要求1所述的鏡頭，其特征在于所述半反半透鏡的鏡面是平面，薄透鏡是凹透鏡。
3.根據權利要求1所述的鏡頭，其特征在于所述半反半透鏡的鏡面是球面，薄透鏡是凹透鏡，半反半透鏡的凸面朝向薄透鏡。
4.根據權利要求1所述的鏡頭，其特征在于所述半反半透鏡的鏡面是球面，薄透鏡是凹透鏡，半反半透鏡的凸面背向薄透鏡。
5.根據權利要求1所述的鏡頭，其特征在于所述半反半透鏡的鏡面是球面，薄透鏡是凸透鏡，半反半透鏡的凸面朝向薄透鏡。
6.根據權利要求1所述的鏡頭，其特征在于所述半反半透鏡的口徑不小于所述凸面鏡的圓孔直徑。
7.根據權利要求1所述的鏡頭，其特征在于所述的半反半透鏡的口徑不大于與其光心在同一位置的光軸垂面與邊界圓臺側面所交而成的圓的直徑；其中，所述邊界圓臺的上底面是凸面鏡圓孔，其下底面是在一個與光軸垂直的平面上通過第二種成像途徑成實像的所有物點集合所成的圓。
8.根據權利要求1所述的鏡頭，其特征在于所述的薄透鏡的口徑不大于與其光心在同一位置的光軸垂面與邊界圓臺側面所交而成的圓的直徑；其中，所述邊界圓臺的上底面是凸面鏡圓孔，其下底面是在一個與光軸垂直的平面上通過第二種成像途徑成實像的所有物點集合所成的圓。
9.根據權利要求1所述的鏡頭，其特征在于所述凸面鏡與半反半透鏡的圓形邊界之間通過無色透明材料連接。
10.根據權利要求1所述的鏡頭，其特征在于所述半反半透鏡與薄透鏡之間的圓形邊界通過透明或不透明材料連接。
11.一種基于該鏡頭的攝像機，其特征在于至少包括如權利要求1～10所述的廣角鏡頭，并包括光接收處理單元，光接收處理單元的光接收部分位于所述廣角鏡頭正后方的實像平面上。
12.根據權利要求11所述的攝像機，其特征在于所述光接收處理單元的位置是固定的，其所在的實像平面的位置由設計鏡頭時確定的最佳成像物面的位置決定。
13.根據權利要求11所述的攝像機，其特征在于所述光接收處理單元包括用于光電轉換的電荷耦合器件(CCD)和用于信號格式轉換并校正信號的信號處理電路，CCD位于所述廣角鏡頭正后方的實像平面上，CCD的輸出連至信號處理電路的輸入。
14.根據權利要求13所述的攝像機，其特征在于所述信號處理電路包括格式轉換電路、模擬轉數字電路和數字校正電路，CCD將光信號轉換成CCD格式的電信號輸入至格式轉換電路，進行格式轉換后輸入至模擬轉數字電路，轉換成數字信號輸入至數字校正電路，對數字信號進行校正后輸出。
15.根據權利要求11所述的攝像機，其特征在于所述光接收處理單元包括用于光電轉換的CMOS光電轉換器件和用于信號格式轉換并校正信號的信號處理電路，CMOS光電轉換器件設置于所述廣角鏡頭正后方的實像平面上，CMOS光電轉換器件的輸出連至信號處理電路。
16.根據權利要求15所述的攝像機，其特征在于所述信號處理電路包括格式轉換電路、模擬轉數字電路和數字校正電路，CMOS將光信號轉換成CMOS格式的電信號輸入至格式轉換電路，進行格式轉換后輸入至模擬轉數字電路，轉換成數字信號輸入至數字校正電路，對數字信號進行校正后輸出。
全文摘要
本發明公開了一種廣角鏡頭，至少包括凸面鏡、凸透鏡、半反半透鏡和薄透鏡；在凸面鏡的中心有一圓孔，圓孔的半徑與凸面鏡球面半徑的比值不大于sin45°；凸透鏡嵌于凸面鏡的圓孔上；半反半透鏡和薄透鏡依次位于凸面鏡的正前方，并且凸面鏡、凸透鏡、半反半透鏡和薄透鏡的光心在同一條光軸上。本發明公開了一種基于該鏡頭的攝像機，至少包括廣角鏡頭和光接收處理單元，光接收處理單元的光接收部分設置于所述廣角鏡頭正后方的實像平面上。本發明的廣角鏡頭及攝像機能夠不被遮擋地完整拍攝下近180°視角范圍內的景物，并且所拍攝的畫面具有良好的密接性。
文檔編號H04N5/225GK1530686SQ03119540
公開日2004年9月22日 申請日期2003年3月10日 優先權日2003年3月10日
發明者李闖, 李 闖 申請人:聯想(北京)有限公司