使用自由形式元件来匹配物体空间和图像空间的镜头系统及其方法技术方案

适用于各种各样的应用的镜头系统使用各种自由形式镜头形状或表面，来实现低f数、宽视场、改进的离轴性能以及旋转对称镜头无法实现的其他光学特性，这些自由形式镜头形状或表面通常由泽尔尼克、切比雪夫或X

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用自由形式元件来匹配物体空间和图像空间的镜头系统及其方法
[0001]专利技术人：
[0002]瓦迪姆
·
作家科
[0003]俄罗斯人
[0004]陈志龙
[0005]中国台湾人
[0006]费多尔
·
丘里耶夫
[0007]俄罗斯人
[0008]陈励瀚
[0009]新加坡人
[0010]说明书
[0011]相关申请
[0012]本申请是于2018年10月22日提交的、与本申请同名的美国专利申请S.N.62/748,961的转换申请，并且还是同样于2018年10月22日提交的、题为利用由X
‑
Y多项式定义的双平面对称性的低f数光学系统(Low F
‑
Number Optical System Utilizing Double Plane Symmetry Defined by X
‑
Y Polynomial)的美国专利申请S.N.62/748,976的转换申请。此外，本申请是于2018年4月20日提交的、题为“使用双平面对称元件的低失真镜头(Low Distortion Lens Using Double Plane Symmetric Element)”的美国专利申请S.N.15/958,804的部分继续申请，该美国专利申请又是国际申请日为2016年10月20日的PCT申请PCT/IB2016/001630的部分继续申请，该PCT申请又要求于2015年10月20日提交的美国专利申请62/244,171的权益。本申请要求上述每个申请的优先权，所有这些申请出于所有目的并入本文。


[0013]本专利技术总体上涉及使用自由形式镜头(free form lense)的镜头系统，并且更具体地，涉及被配置为根据使用了该镜头系统的应用提供物体空间与图像空间的匹配的镜头系统。本专利技术的一个方面总体上涉及使用双平面对称自由形式镜头的镜头系统，并且更具体地，涉及将双平面对称镜头元件用于飞行时间和机器视觉应用的镜头系统，其中双平面对称表面的表面或Z垂度(Z
‑
sag)由X
‑
Y多项式定义。

技术介绍

[0014]光学设计的一般任务是在物体空间或平面与图像空间或传感器平面之间进行完美的共轭，而没有像差、失真或其他误差。虽然很多镜头都非常好，但这样的完美是难以捉摸的。即使很小的增量也可以提供显著的好处。
[0015]旋转对称广泛用于传统镜头，其视场和孔径光阑都是旋转对称的。除了极少数例外，这导致最终设计包括旋转对称的元件。在图1中示出了这种传统设计的一个示例。
[0016]然而，大多数传感器——记录图像的光敏结构——在形状上是矩形的。因此，如图2所示，由图1的镜头所创建的图像空间创建了圆形的视场，而记录图像的传感器是矩形的。为了优化失配，镜头系统的视场的直径与传感器的对角线尺寸相匹配。
[0017]仅使用旋转对称镜头的镜头设计试图在圆形图像空间视场内获得尽可能好的图像质量(IQ)。目标包括最小化光学像差(aberration)，例如球面误差、彗差、像散、场曲(field curvature)、失真、轴向和横向像差、颜色等。旋转对称设计的一个固有特性是，即使位于传感器区域外部的点对所存储的图像没有影响，但是在距镜头中心等距的所有点处，镜头中的光学误差都是相同的。因此，最佳镜头性能无法与传感器的视场相匹配，并且结果类似于图3所示。
[0018]传统的光学系统会为广角、低失真镜头引入透视像差(perspective aberration)。视场越大，失真越小，这种透视像差就变得越明显。例如，物体在广角图像的边缘处通常看起来是拉伸的。这可以看出未失真的广角图像是光学器件的结果，还是从失真的图像中数字鱼眼矫正(dewarp)的结果。这种透视像差在具有显著失真的图像中不太明显，并且随着失真的减小而变得更加明显。
[0019]对于捕捉大于180度的视场的镜头，实际到达典型矩形传感器的图像是没有填满整个矩形传感器的圆形。这会导致图像分辨率低于传感器能够检测到的分辨率。然而，传统的旋转对称镜头通常无法创建非圆形图像平面，而不会引入由于像差导致的不可接受的图像质量下降。
[0020]取决于镜头系统的应用，必须考虑许多其他因素，包括镜头系统的总轨道长度、f数、纵横比、显色指数(CRI)、主光线角度(CRA)、主光线高度(CRH)、相对照度上的均匀性等。经常，必须在这些各种考虑因素之间进行权衡，以提供非常适合于特定应用的镜头系统。旋转对称的镜头通常不能提供所需的灵活性。
[0021]因此，需要在将物体空间与图像空间(例如，传感器的视场)进行匹配时考虑到特定应用的镜头系统设计。

技术实现思路

[0022]本专利技术提供了多种使用自由形式镜头的光学设计，这些设计克服了传统旋转对称设计的局限性，同时还考虑了特定应用和与该应用相关联的考虑因素。在基本层面上，本专利技术的光学设计允许——根据应用——沿着X轴而不是沿着Y轴进行不同的光焦度(optical power)、视场、像差校正等。为了实现这种改进，将一个或多个具有双平面对称性或其他自由形式特性的光学元件引入到光学系统中。
[0023]根据实施例，本专利技术所设想的自由形式光学元件的一个光学表面可以具有双平面对称性，而另一表面是旋转对称的。可替代地，两个表面都可以具有双平面对称性，或者一个表面可以具有另一种形式的不对称性，例如由泽尔尼克(Zernike)或切比雪夫(Chebyshev)多项式定义的表面，或混合泽尔尼克镜头元件，或具有衍射表面的镜头元件。在光学系统中也可以有多个这样的自由形式光学元件。在多个具有双平面对称性的元件的情况下，自由形式元件的取向必须对齐。
[0024]通过使用一个或多个这样的自由形式光学元件，投射到传感器上的图像与传感器的视场更好地匹配，从而提高了所捕获图像的分辨率，并且有效地提高了分辨率。这种更好
的匹配在许多光学应用中提供了显著的优势，包括智能手机相机的镜头模块、虚拟现实和增强现实的光学器件、飞行时间系统、机器视觉系统、安全相机等。这种更好匹配的益处的一个示例是在虚拟现实情境中，其中对使用传统旋转光学器件拍摄的图像进行鱼眼矫正可能需要两天或更长时间，而对使用适当设计的自由形式镜头系统捕获的该同一图像进行鱼眼矫正可能只需要几个小时。
[0025]在本专利技术的实施例中，本专利技术的镜头设计特别适用于广角镜头，但在一些实现方式中，也有利于普通和远摄或变焦镜头。此外，该镜头设计可以实现为附着到现有镜头的固定焦距镜头，例如可以集成到智能手机中。在其他应用中，例如非成像应用(例如，飞行时间感测)，镜头特性围绕窄波段(例如，红外或近红外)进行优化。更广泛地，本专利技术使传统旋转对称镜头无法获得的多种机器视觉解决方案成为可能。这样的解决方案可以在很宽的波长范围(例如，从350纳米到2500纳米)内实现。用于光学元件的材料通常会针对相关波长进行优化，以确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种镜头系统，具有用于在传感器上形成图像的多个镜头元件，所述系统被配置为在蜂窝电话内部并且具有小于所述蜂窝电话的Z高度的总轨道长度，所述镜头系统包括：至少一个非球面镜头，以及至少一个双平面对称性镜头，该至少一个双平面对称性镜头的至少一个表面的Z垂度由以下等式来定义其中系数CV是曲率，CC是圆锥常数，r是径向坐标，Z
i
是符合以下等式的多项式：并且其中，径向多项式R遵循以下等式系数as
i
是对应的泽尔尼克系数，在所述径向多项式R中，n＝0,1,2,
…
是度，并且m＝
...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦迪姆，
申请(专利权)人：威动光股份有限公司，
类型：发明
国别省市：