CN102216845B - 光学装置和成像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光学装置和成像设备。该光学装置包括滤光镜(102)和与滤光镜(102)相邻布置的滤光镜(110)，滤光镜(102)包括以预定角度与旋转轴相交的第一表面(105)以及与旋转轴正交的第二表面(106)并且围绕旋转轴旋转，滤光镜(110)包括第三表面(115)及第四表面(116)并且围绕旋转轴向与滤光镜(102)相反的方向旋转，第三表面(115)和第四表面(116)分别与第一表面(105)及第二表面(106)相对滤光镜之间的旋转轴上的一点呈点对称的空间关系。

Description

光学装置和成像设备
技术领域
本发明涉及光学装置和成像设备。
背景技术
如例如在下面的专利文献1中所描述的，已知一种获取具有较少模糊的图像的技术，该技术通过移动校正镜头以改变光轴角度，从而抵消图像模糊以进行相机移动校正。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP 9-171204(A)
发明内容
技术问题
有许多模糊校正机构的例子，其中通过在与光轴正交的方向上使得摄取镜头中的一部分镜头(校正光学***)位移以改变光轴角度来抵消图像模糊。在这种情况下，校正光学***需要进行线性运动。在当相机被握在手中时和当相机被安装在支架等上时出现模糊的两种情况中，模糊速度趋向于在振动幅度的中心附近较大，而在最大幅度附近较小。因而，进行线性运动的校正光学***有必要相应地使光轴附近的光学***的运动速度最大化，在出现最大模糊校正量的最大幅度变近时快速减小运动速度，在最大模糊校正位置处将运动速度设置为0，然后反转运动方向。
然而，上述操作构成致动器的负担。尤其当振动频率增大时，出现操作速度的延迟，使得模糊校正机构难以跟随，并且出现了可能无法实现期望的模糊校正操作的问题。在大多数结构中，模糊校正机构被包含在摄取镜头(taking lens)中，并且对于镜头可换相机(例如单反镜头相机)来说，存在难以利用除了具有模糊校正机构的镜头以外的镜头实现模糊校正功能的问题。
另外，为了容易地获取全景图像，在摇动(panning)相机的同时拍摄图像。在这种情况下，在使相机停止后拍摄图像，然后在摇动方向上再次移动相机，从而导致拍照时间较长的问题。而且，相机在摇动方向上被反复移动和停止，这必然要增大驱动机构(马达)的大小，导致了设备更复杂和成本更高的问题。
鉴于上述问题作出了本发明，本发明试图提供一种能够利用简单构造进行模糊校正的新型的、改进的光学装置和成像设备。
问题的解决方案
为了实现上述目标，根据本发明的一方面，提供了一种光学装置，包括第一光学元件和与第一光学元件相邻布置的第二光学元件，该第一光学元件包括以预定角度与旋转轴相交的第一表面和与旋转轴正交的第二表面并且围绕旋转轴旋转，该第二光学元件包括第三表面和第四表面并且围绕旋转轴向与第一光学元件相反的方向旋转，第三表面和第四表面分别与第一表面和第二表面相对在第一光学元件和第二光学元件之间的旋转轴上的一点呈点对称的空间关系。
第一表面可以由两个表面形成，这两个表面相对于旋转轴的倾斜朝向在包括旋转轴的边界表面中是相反的，并且与第一表面相对旋转轴上的点呈点对称的空间关系的第四表面可以由两个表面形成，这两个表面与第一表面的两个表面相对旋转轴上的所述点呈点对称的空间关系。
第一和第二光学元件可以围绕旋转轴在预定旋转角的范围内进行往复运动。
光学装置可以被布置在用于形成物像的摄取镜头的物侧，处于摄取镜头的光轴和旋转轴相重合，从而允许已穿过第一和第二光学元件的光束进入摄取镜头的状态。
光学装置可以被布置在用于形成物像的摄取镜头的物侧，处于摄取镜头的光轴和旋转轴相偏移，从而允许已穿过第一和第二光学元件的光束进入摄取镜头的状态。
光学装置可以被布置在用于形成物像的摄取镜头的物侧，并且在移动的同时摄取镜头拍摄每帧图像的周期与第一和第二光学元件的旋转周期可以是同步的。
光学装置可以被布置在用于形成物像的摄取镜头的物侧，并且在旋转光轴的朝向的同时摄取镜头拍摄每帧图像的周期与第一和第二光学元件的旋转周期可以是同步的。
光学装置可以被布置在用于形成物像的摄取镜头的物侧，在旋转光轴的朝向的同时摄取镜头拍摄每帧图像的周期与第一和第二光学元件的旋转周期可以是同步的，并且光轴的朝向在摄取镜头的每帧内的改变量与当第一和第二光学元件旋转180°时的光束偏转量可以一致。
光学装置可以被布置在用于形成物像的摄取镜头的前面的物侧、被布置在摄取镜头的后面的图像形成表面侧、或者被布置在摄取镜头的内部。
为了实现上述目标，根据本发明的另一方面，提供了一种成像设备，包括光学元件、摄取镜头和图像传感器，光学元件包括第一光学元件和与第一光学元件相邻布置的第二光学元件，该第一光学元件包括以预定角度与旋转轴相交的第一表面和与旋转轴正交的第二表面并且围绕旋转轴旋转，该第二光学元件包括第三表面和第四表面并且在与第一光学元件相反的方向上围绕旋转轴旋转，第三表面和第四表面分别与第一表面和第二表面相对在第一光学元件和第二光学元件之间的旋转轴上的一点呈点对称的空间关系，摄取镜头借助穿过光学元件的光束来形成物像，图像传感器具有成像表面，由摄取镜头在该成像表面上形成物像。
第一光学元件的第一表面可以由两个表面形成，这两个表面相对于旋转轴的倾斜朝向在包括旋转轴的边界表面中是相反的，并且与第一表面相对旋转轴上的点呈点对称的空间关系的第四表面可以由两个表面形成，这两个表面与第一表面的两个表面相对旋转轴上的所述点呈点对称的空间关系。
第一和第二光学元件可以围绕旋转轴在预定旋转角的范围内进行往复运动。
摄取镜头的光轴和旋转轴可以相匹配。
摄取镜头的光轴和旋转轴可以相偏移。
可以在移动的同时逐帧地拍摄物体的图像，并且拍摄每帧图像的周期与第一和第二光学元件的旋转周期可以是同步的。
可以在旋转摄取镜头的光轴的朝向的同时逐帧地拍摄物体的图像，并且拍摄每帧图像的周期与第一和第二光学元件的旋转周期可以是同步的。
可以在旋转摄取镜头的光轴的朝向的同时逐帧地拍摄物体的图像，并且光轴的朝向在每一帧的改变量可以与当第一和第二光学元件旋转180°时的光束偏转量一致。
本发明的有利效果
根据本发明，可以提供一种能够利用简单构造进行模糊校正的新型的、改进的光学装置和成像设备。
附图说明
图1是示出根据本发明一个实施例的光学单元的示意图。
图2是示出光学单元的滤光镜的示意图。
图3是示出滤光镜如何旋转的示意图。
图4是示出当图3中的初始状态被定义为0°并且滤光镜102和滤光镜110位于-90°、+90°和+180°的每个旋转角时光束如何被折射的概况的示意图。
图5是示出根据镜头旋转角(-90°、0°、+90°和+180°)在水平方向和垂直方向上的光轴角度位移的示意图。
图6是图示当镜头旋转角为0°时和当镜头旋转角为180°时光束为何不在垂直方向(XZ平面)上被大幅度折射的示意图。
图7是示出滤光镜被附接在摄取镜头之前的例子的示意图。
图8是图示当滤光镜被附接在另一滤光镜的顶部时，光束偏转角θ、滤光镜垂直角α和滤光镜折射率n的关系的示意图。
图9是利用箭头向量示出在垂直方向(XZ平面)和水平方向(YZ平面)的每一个上滤光镜的表面折射光束的能力的示意图。
图10是详细图示光轴偏转角的示意图。
图11是示出利用根据本实施例的光学单元如何拍摄全景图像的示意图。
图12是示出根据第二实施例的光学单元的构造的示意图。
图13是示出根据第二实施例的滤光镜的构造的示意图。
图14是示出当滤光镜旋转角的初始状态被定义为0°并且滤光镜旋转了-90°、+90°和+180°的角度时光束如何被折射的概况的示意图。
图15是图示根据第三实施例的模糊校正方法的特性图。
图16是示出根据第二实施例的光学滤波器的驱动机构的示意图。
图17是示出根据第二实施例的光学滤波器的驱动机构的示意图。
图18是示出光学滤波器的驱动机构中的滤光镜的截面图的示意图。
图19是示出光学滤波器的驱动机构中的滤光镜的截面图的示意图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。注意，在该说明书和附图中，具有基本相同的功能和结构的元件被用相同的附图标记表示，并省略对其重复的说明。
注意，将按照以下顺序进行描述。
1.第一实施例(通过旋转滤光镜进行模糊校正的构造示例)
2.第二实施例(光轴偏转角处于一个方向的构造示例)
3.第三实施例(旋转滤光镜被驱动为往复的构造示例)
4.使滤光镜旋转的构造示例
<1.第一实施例>
图1是示出根据本发明一个实施例的光学单元100的示意图。如图1所示，光学单元100包括玻璃滤光镜102和110。滤光镜102和110中每一个的外圆周是以光轴1000(Z轴)为中心轴的圆柱表面。
图2是示出滤光镜102的示意图。将基于图2描述入射在滤光镜102上的光的折射。从图2中的左侧入射的光束103被滤光镜102折射，并从图2的右侧出射，成为沿着光轴1000的光束104。
光束103入射的滤光镜102的表面105是通过倾斜地切割圆柱体而获得的平面。光束104出射的表面106是与光轴1000正交的表面。X、Y和Z方向被如图2所示地定义，并且表面105的法线假定处于XZ平面。当滤光镜102被XZ平面切割时，表面105的切割平面线和表面106的切割平面线形成了一个楔形，而不是平行的。
另一方面，当滤光镜102被YZ平面切割时，表面105的切割平面线和表面106的切割平面线变得平行。因而，当入射在表面105上的光束103被折射到X方向(沿着XZ平面的方向)上时，光束103沿直线行进，而在Y方向(沿着YZ平面的方向)上不被折射。如果滤光镜102绕光轴1000旋转，则光束的折射方向可以在所有方向上自由调节。
在图1中，滤光镜102和滤光镜110具有相同的形状，并且由相同的材料制成。如图1所示，滤光镜110被布置为相对于光轴1000上的点123与滤光镜102点对称，以构成根据本实施例的光学单元100。滤光镜110具有通过倾斜地切割圆柱体而获得的表面115和与光轴1000正交的表面116。
根据本实施例的光学单元100允许从滤光镜102出射的光束进入滤光镜110并再次被滤光镜110折射。如果滤光镜102如上所述绕光轴1000旋转，则光束的折射方向可以在围绕光轴1000的所有方向上随意调节。类似地，如果滤光镜110绕光轴1000旋转，则光束的折射方向可以在围绕光轴1000的所有方向上随意调节。根据本实施例的光学单元100利用了这一特点，并且通过相对地旋转滤光镜102和滤光镜110来使入射光束在特定方向上折射。
图3是示出滤光镜102和滤光镜110如何旋转的示意图。图3示出了作为基准的初始状态，表面105的法线位于XZ平面上并且表面115的法线也位于XZ平面上。在该状态中，滤光镜102的表面105和滤光镜110的表面115平行。
在根据本实施例的光学单元100中，滤光镜102和滤光镜110从作为初始状态的图1中所示的状态开始、以相同速度在相反方向上围绕光轴1000旋转。如图3所示，滤光镜102在箭头111方向(当从Z轴的负侧(物侧)看时是顺时针方向)上旋转，并且滤光镜110在箭头112方向(当从Z轴的负侧(物侧)看时是逆时针方向)上旋转。
图4给出了当图3中的初始状态被定义为0°并且滤光镜102和滤光镜110位于-90°、+90°和+180°各个旋转角时光束如何被折射的概况。图4中所示的垂直方向示出了从图2或3中Y轴方向上的正侧看光学单元100的状态，并且示出了光束如何在XZ平面上被折射。图4中所示的水平方向示出了从图2或3中X轴方向的负侧看光学单元100的状态，并且示出了光束如何在YZ平面上被折射。对于-90°、+90°和+180°的旋转角，滤光镜102的旋转方向(图3中的箭头111方向)被定义为正方向。
滤光镜102和滤光镜110被布置在摄取镜头124的前侧(物侧)。摄取镜头124是在诸如CCD和CMOS之类的图像传感器123的成像表面(图像形成表面)上形成物像的镜头，并且包括一个或多个光学透镜。如图4所示，摄取镜头124被布置为使得摄取镜头124的光轴与光学单元100的光轴1000重合。光学单元100可以布置在摄取镜头124的内部，在这种情况下光学单元100被布置在摄取镜头124的多个光学透镜之间。或者，光学单元100可以布置在摄取镜头124和图像传感器123的图像形成表面之间。无论怎样，可以形成后面将描述的光轴偏转角从而可以进行模糊校正。
如图4所示，如果镜头旋转角为0°，则在水平方向上(在YZ平面上)，表面105和表面115的法线位于XZ平面上，因而光束在YZ平面上不被折射。到达图像传感器123的中心的光束从光轴1000的方向进入光学单元100，变为穿过摄取镜头124的光束216。
当镜头旋转角为0°时，在垂直方向上(在XZ平面上)，光束被滤光镜102和滤光镜110在XZ平面上轻微折射，但是如后面所述，折射量非常小。因而，同样在垂直方向上，到达图像传感器123的中心的光束与光轴1000平行地进入光学单元100，变为穿过摄取镜头124的光束215。
当镜头旋转角为+90°时，表面105和表面115的法线位于YZ平面上，因而光束被滤光镜102和滤光镜110在水平方向上(在YZ平面上)折射，如图4所示。到达图像传感器123的中心的光束以相对于光轴1000的角度θ进入滤光镜102，变为穿过摄取镜头124的光束218。当镜头旋转角为+90°时，在垂直方向中(在XZ平面上)，表面105和表面115的法线位于YZ平面上，因而光束在XZ平面上不被折射。到达图像传感器123的中心的光束从光轴1000的方向进入光学单元100，变为穿过摄取镜头124的光束217。
当镜头旋转角为+180°时，在水平方向中(在YZ平面上)，表面105和表面115的法线位于XZ平面上，因而光束在YZ平面上不被折射。到达图像传感器123的中心的光束从光轴1000的方向进入光学单元100，变为穿过摄取镜头124的光束220。当镜头旋转角为+180°时，光束被滤光镜102和滤光镜110在垂直方向上(在XZ平面上)轻微折射，但是如后面所述，折射量是非常小的。因而，同样在垂直方向上，到达图像传感器123的中心的光束变为与光轴1000平行入射的光束219。
当镜头旋转角为-90°时，表面105和表面115的法线位于YZ平面上，因而光束被滤光镜102和滤光镜110在水平方向上(在YZ平面上)折射，如图4所示。到达图像传感器123的中心的光束以相对于光轴的角度θ进入滤光镜102，变为穿过摄取镜头124的光束214。当镜头旋转角为-90°时，在垂直方向中(在XZ平面上)，表面105和表面115的法线位于YZ平面上，因而光束在XZ平面上不被折射。到达图像传感器123的中心的光束从光轴1000的方向进入光学单元100，变为穿过摄取镜头124的光束213。
图5示出了根据镜头旋转角(-90°、0°、+90°和+180°)在水平方向和垂直方向上的光轴角度位移。光轴角度位移是被光学单元100移动的摄取镜头124的光轴的朝向。例如，如参考图4所述，在+90°的水平方向上，以相对于光轴1000的角度θ进入滤光镜102的光束218到达图像传感器123的中心。因而，如果仅使用了摄取镜头124而未使用光学单元100，则当摄取镜头124的朝向倾斜角度θ时获得相同的效果。希望利用光轴角度位移作为模糊角度校正量来进行模糊校正。
将基于图5描述光轴角度位移。如参考图4所述，在垂直方向上(在XZ平面上)，以-90°、0°、+90°和+180°的任意镜头旋转角，进入光学单元100的光束在XZ平面上不被折射。因而，如图5所示，无论旋转角如何，垂直方向上的光轴角度位移一般为0。
另一方面，在水平方向上(在YZ平面上)，如图5所示，光轴角度位移随滤光镜102和滤光镜110的旋转呈现正弦曲线。因而，光轴角度位移在0°和180°时为0，在-90°时取最小值(-θ)，而在+90°时取最大值(θ)。
因而，根据本实施例中的光学单元100，光轴的位移仅发生在YZ平面上。因此，如图5中的水平图所示，通过根据滤光镜102和滤光镜110的相对旋转改变光轴的朝向，光轴的朝向仅可以在YZ平面上改变。利用这一原理，当包括摄取镜头124和光学单元100的光学***的朝向在YZ平面上改变时，由于光学***的移动而引起的图像传感器123上被摄物的移动可以通过在移动方向的相反方向上改变光轴的朝向而被抵消，这可以应用于移动校正。
如上所述，光束在0°的镜头旋转角时在垂直方向上(在XZ平面上)被轻微折射，并且在180°的镜头旋转角时在垂直方向上(在XZ平面上)被轻微折射，但是不被大幅度地折射。将基于图6描述这一点。在图6中，从被摄物入射的物空间的光束215如上所述在穿过摄取镜头124的光轴之后到达图像传感器的中心123。在箭头方向上行进的光束215在滤光镜102的表面105上的点132处以入射角A1进入滤光镜102，并且在根据Snell定律被折射到出射角A1’之后行进穿过滤光镜102。然后，光束215以入射角A2到达滤光镜102的表面106上的点131处且以出射角A2’从该点出射。然后，光束215在表面116上的点133处以入射角A3和出射角A3’进入滤光镜110。然后，光束215以入射角A4到达滤光镜110的表面115上的点134处且以出射角A4’从该点出射。
在图6中，直线137是平面105的法线，直线138是平面106的法线，直线139是平面116的法线，并且直线140是平面115的法线。平面106和平面116是平行的并且与摄取镜头124的光轴正交。平面105和平面115是平行的并且滤光镜102的折射率和滤光镜110的折射率相同。因而，A2’＝A3、A2＝A3’及A1’＝A4成立，因而A1＝A4’成立。法线137和法线140是平行的，因而光束215和摄取镜头124的光轴变得平行。尽管在光束215和摄取镜头124的光轴之间可能出现轻微的光轴平移(在与光轴正交的方向上的偏移)，但是由于光轴平移而引起的图像偏移小于由于光轴角度改变而引起的图像偏移。尤其是，当诸如风景之类的相对远距离的视场被摄取时，光轴平移的影响是很小的。
接下来，将基于图7描述当光束在+90°的镜头旋转角时在水平方向(在YZ平面上)等中发生弯曲的原理。图7示出了这样的情况，其中仅滤光镜102被设置在摄取镜头124之前。光束L1以相对于光轴1000的角度θ进入滤光镜102，并且在到达图像传感器的中心123之前在摄取镜头124的光轴上行进。如果滤光镜102的垂直角为α且其折射率为n，则由于Snell定律下式成立，其中n是滤光镜102的折射率。
1＊sin(θ+α)＝n＊sinα
如果θ+α是足够小的值，则θ+α＝n＊α成立，因而获得了θ＝α(n-1)。例如，如果n＝1.5并且α位移±4°，则光束偏转角θ变为2°。因此，在图4中水平方向上以+90°或-90°时，如果滤光镜102的垂直角和滤光镜110的垂直角的总和为α，则光束偏转角由θ＝α(n-1)给定。
如果滤光镜102和滤光镜110重叠，则光束偏转角变为图7中的光束偏转角的两倍。图8是图示当滤光镜102和滤光镜110重叠时，光束偏转角θ、滤光镜垂直角α和滤光镜折射率n的关系的示意图。
与图7类似，假定光从左向右行进。直线1004是与光轴1000平行的直线。由于Snell定律下式成立。
1＊sinC1＝n＊sinC1’(1)
n＊sinC2＝1＊sinC2’(2)
1＊sinC2’＝n＊sinC3’(3)
n＊sinC4＝1＊sinα(4)
根据等式(2)和(3)，下式成立：
n＊sinC2＝n＊sinC3’
因而，C2和C3’等于或小于90°，因此，得到C2＝C3’。
另外，C1’-α＝C2＝C3’和α-C4＝C2＝C3’成立，因而，得到C1’-α＝α-C4。等式(1)变为sinC1＝n＊sin(2＊α-C4)，并且如果角度足够小，则得到C1＝n＊(2＊α-C4)(5)。
从等式(4)得到sinC4＝1/n＊sinα，并且如果角度足够小，则得到C4＝α/n(6)。
从等式(5)和(6)得到C1＝2＊n＊α-α，因而偏转角θ＝C1-α，得到θ＝2α(n-1)。如果n＝1.5，则得到θ＝α。
在图4中水平方向上0°和180°的镜头旋转角和垂直方向上-90°和+90°的镜头旋转角时，滤光镜102的表面105和滤光镜110的表面115相对于与光轴正交的表面的轮廓线变得与光轴正交，因而光束偏转角θ变为0。
接下来，将基于图9进一步描述光束偏转角。图9通过箭头向量(光束偏转向量在XZ平面和YZ平面上的分量)示出了在垂直方向(XZ平面)和水平方向(YZ平面)的每一个上表面105和表面115折射光束的能力。表面105和表面115对光束的折射量分别由XZ平面和YZ平面上表面105和表面115的倾斜来确定。
在垂直(Y)方向上以-45°时，滤光镜102的表面105和滤光镜110的表面115具有大小相同(如果表面105相对于与光轴正交的表面的轮廓线被绘出的话，XZ平面上轮廓线的间距相同)、方向相反的倾斜。换句话说，当考虑到折射光束的能力时，滤光镜102的表面105和滤光镜110的表面115具有相反方向和相同标量的向量，从而使得在Y方向上弯曲光轴的能力抵消并且垂直(Y)方向上的光束偏转角θ变为0。这也适用于垂直Y方向上+45°的情形，另外，在垂直方向上以任意角度，光束偏转角θ都变为0。
另一方面，在水平X方向上以-45°时，由滤光镜102和滤光镜110引起的弯曲光束的能力具有相反方向且不同标量的向量，因而剩余有在负方向上弯曲光束的能力，从而引起负的光束偏转角。在水平X方向上以+45°或+90°时，由滤光镜102和滤光镜110引起的弯曲光束的能力具有相反方向且不同标量的向量，因而剩余有在正方向上弯曲光束的能力，从而引起正的光束偏转角。
将基于图10更详细描述光束偏转角。图10示出了与镜头旋转角相对应的滤光镜102和滤光镜110折射光束(成为光束偏转向量)的能力。在图10中，滤光镜102的光束偏转向量被示为实线箭头，滤光镜110的光束偏转向量被示为虚线箭头，并且每个向量指示光束折射的方向。图10示出了以下状态：当从Z轴的正方向看时，随着滤光镜102的旋转，作为滤光镜102的光束偏转向量的实线箭头逆时针旋转并且转动了360°。因此，在0°位于时钟12点的实线的光束偏转向量通过在纸面上逆时针旋转360°而转一圈。
另一方面，随着滤光镜110的旋转，作为滤光镜110的光束偏转向量的虚线箭头顺时针旋转并且转动了360°。因此，随着滤光镜110的旋转，在0°位于时钟的6点的虚线的光束偏转向量通过在纸面上顺时针旋转转动了360°。
因此，从图10清楚可见，作为这两个向量的总和的总偏转向量当从Y方向上(在XZ平面上)看时和当从X方向上(在YZ平面上)看时始终相互抵消，另一方面，YZ平面上的分量彼此相加。因此，在垂直方向和水平方向中的每一个上，获得了图5中所示的特性。如果滤光镜旋转角(时钟的12点的方向被设置为基准0，并且滤光镜102的旋转方向被定义为正方向)为β并且滤光镜102和110的最大偏转角分别为L，则水平方向上的总偏转角γ可以由下面的等式(2)表达：
γ＝2L＊cos(β+π/2)(2)
图11是示出如何利用根据本实施例的光学单元100拍摄全景图像的示意图。如图11所示，在摇动方向上移动相机500的同时图像传感器123获取图像，在相机500中，光学单元100、摄取镜头124和图像传感器123被形成为一体。
为了获取没有模糊的全景图像，在不使相机500停止的情况下进行摇动来拍摄图像。相机500的帧率被定义为C帧/秒。然后，相机以如下方式被摇动：1/C秒中的移动角变为θ1。如果在滤光镜旋转角从-90°变为+90°的同时光轴偏转角位移为θ1，并且该位移是在摇动方向的相反方向上引起的，则相机500的位移角被光轴偏转角抵消。因而，通过在摇动相机500的同时在图11中所示的图像A、B和C中每一个的中心位置附近点击快门，可以连续获得没有模糊的全景图像。在箭头A1的方向上摇动相机的同时连续拍摄图像A、图像B、图像C...之后，通过合成这些图像可以形成全景照片。因而，根据本实施例的配置，通过与相机500的旋转同步地旋转滤光镜102和滤光镜110，可以在不停止相机500的情况下连续地拍摄图像A、B、C...。因此，不需要为每幅图像停止相机500，从而可以明显地减少拍摄全景图像所需的时间。因此，例如，通过利用远距离摄影机在宽范围内连续拍摄图像，可以考虑诸如通过在短时间内获取远处区域的全景图像来进行监视的应用。此外，不需要为每幅图像停止相机500，因此不需要使用大的马达，从而可以简单地配置***并且可以减少功耗。
因为光轴位移发生在与相机500的摇动方向相同的方向上，所以难以在滤光镜旋转角+90°和-90°之间进行移动校正。因而，与滤光镜旋转角+90°至-90°相对应的相机帧不被用于全景图像，并且通过重叠从滤光镜旋转角-90°至+90°获得的图像来生成全景图像。另外，如图11所示，如果相机在相反方向(箭头A2方向)上摇动，则滤光镜旋转方向不改变，与滤光镜旋转角-90°至+90°相对应的相机帧不被用于全景图像，并且通过重叠从滤光镜旋转角+90°至-90°获得的图像来生成全景图像。
如上所述，相机500移动带来的模糊可以通过与相机500的移动同步地旋转光学单元100来校正。因此，例如当通过使相机500往复来拍摄矩形全景图像时，可以获取没有模糊的图像。
根据本实施例，如上所述，通过在相同方向上滤光镜102和110的旋转运动可以实现模糊校正，并且还可以解决高频振动。此外，振动波形接近于正弦波，因而可以容易地进行可靠的模糊校正。另外，可以通过旋转滤光镜102和110进行模糊校正，因而可以更容易地制成可移动机构，并且还可以提高耐用性并缩减成本。尤其是对于偏移镜头***(它是模糊校正的主流)，有必要使镜头直线往复以进行模糊校正，并且对高频振动的控制是难以实施的，但是根据本实施例，可以进行与高频振动相对应的模糊校正。
另外，当在一直摇动相机500的同时拍摄全景图像时，可以通过旋转滤光镜102和110来进行模糊校正，从而还可以拍摄360°全景图像。
当宽范围图像(它是通过粘贴在相机被安装在诸如车辆和飞机之类的移动单元中之后的图像和主要是在与行驶方向正交的方向上的风景照而获得的)被摄取时，通过应用根据本实施例的全景拍照技术以实现缩短的拍照时间，可使高速移动拍照成为可能。
此外，诸如模糊校正单元之类的光学单元100可以被附接在现有的摄取镜头之前，从而可以向各种镜头添加模糊校正功能。
<2.第二实施例>
接下来，将描述本发明的第二实施例。第二实施例是一种当在相同方向摇动相机500(而不停止相机500)的同时拍摄图像时、尤其适合于连续拍摄360°全景图像或者从诸如车辆之类的移动单元拍摄外部风景的图像的技术，用以容易地获取全景图像。
图12是示出根据第二实施例的光学单元300的构造的示意图。根据第二实施例的光学单元300通过重叠滤光镜302和滤光镜310来形成。图13是示出滤光镜302的构造的示意图。滤光镜302通过以下方式获得：按照穿过滤光镜102的中心轴并且穿过表面105相对于与中心轴正交的表面的最高点P的平面来切割第一实施例中的滤光镜102，并且一侧的两个切割部分被制备为在相对于中心轴镜像反转之后在切割平面处结合这两个部分。因而，滤光镜302的第一表面(物侧上的表面)由具有不同倾斜朝向的两个表面305形成。与第一实施例中的表面106类似，滤光镜302的第二表面306是与中心轴正交的表面。滤光镜310具有与滤光镜302相同的形状，并且与第一实施例中类似，被布置在相对中心轴1100上的点123与滤光镜302呈点对称的位置处以构成根据本实施例的光学单元300。与第一实施例类似，滤光镜302在箭头111方向上旋转，并且滤光镜310以相同速度在由箭头112指示的相反方向上旋转。
图14示出了当滤光镜旋转角的初始状态被定义为0°并且滤光镜302和滤光镜310旋转了-90°、+90°和+180°的角度时光束如何被折射的概况。如图14所示，滤光镜旋转轴1100和摄取镜头124的光轴1000在第二实施例中平行，但是并不重合并且相对于彼此偏移了预定距离。
与图4类似，图14中所示的垂直方向示出了从图12中的Y轴方向的正侧看光学单元300的状态(XZ平面上的截面图)，并且示出了光束如何在XZ平面上被折射。图14中所示的水平方向示出了从图12中的X轴方向的负侧看光学单元300的状态(YZ平面上的截面图)，并且示出了光束如何在YZ平面上被折射。
光学单元300折射光束的的基本原理与第一实施例中光学单元100的原理基本相同。在根据第二实施例的光学单元300中，当滤光镜302的结合表面随着滤光镜302的旋转而穿过摄取镜头124的光轴时，入射在摄取镜头124上的光束所穿过的表面在两个表面305之间切换。同时，当滤光镜310的结合表面随着滤光镜310的旋转而穿过摄取镜头124的光轴时，入射在摄取镜头124上的光束所穿过的表面在两个表面315之间切换。
该切换被配置为发生在-90°和+90°的位置处。因而，在-90°和+90°的位置处，可以实现与第一实施例中的光学单元100的滤光镜102和滤光镜110瞬时旋转180°时的情况相同的效果。
尽管滤光镜旋转轴1100和摄取镜头124的光轴1000在第二实施例中偏移，但是伴随滤光镜302和310的旋转在表面305和表面315之间的空间关系(光束偏转向量)仍然类似于第一实施例中表面105和表面115之间的关系。因此，滤光镜旋转轴和摄取镜头124的光轴在第一实施例中也可以偏移。
如图14所示，在垂直方向(XZ平面)上，入射在摄取镜头124上的光束所穿过的滤光镜302的第一表面305和滤光镜310的第二表面316具有相反方向的倾斜和相等的Y方向分量，或者是平行的。因而，其向量处于相反方向上，并且其标量相同，因此，在Y方向上弯曲光轴的能力抵消，并且光束偏转角θ变为0。
另一方面，在水平方向上，基于在第一实施例中描述的原理，光轴根据滤光镜302和滤光镜310的旋转角被折射。与第一实施例的差异在于光束偏转角θ在+90°时从最大正位移改变为最小负位移。类似地，在-90°时，光束偏转角θ从最大正位移改变为最小负位移。因而，如图14所示，在水平方向上的光束偏转角θ绘出了“锯齿型”特性，其中光束偏转角θ在-90°时取最小值并且增大直至+90°，并且当超过+90°时，光束偏转角θ再次取最小值并且增大直至-90°(270°)。
当与图11类似地摄取全景照片时，如果相机500的帧率是C帧/秒，则相机500以如下方式被摇动：1/C秒中的移动角变为θ1。如果在滤光镜旋转角从-90°改变为+90°的同时光轴偏转角位移为θ1，并且该位移是在摇动方向的相反方向上引起的，则在摇动相机500的同时连续摄取的所有帧中可以获得没有模糊的图像。换句话说，尽管第一实施例中的光学单元100难以进行模糊校正(因为在滤光镜旋转角+90°至-90°时在与相机500的摇动方向相同的方向上发生光轴位移)，但是可以连续地获得没有模糊的图像而不需要进行帧间稀疏，因为在光学单元300中光轴位移始终发生在相同的方向上。
当应拍摄360°全景图像时，如果相机一直以固定速度旋转的话(就像灯塔的照明)，就可以在每个预定角度连续拍摄没有模糊的图像。另外，当相机被安装在诸如车辆之类的移动单元上以拍摄外部图像时，通过使滤光镜旋转速度与移动单元的速度同步可以连续获取没有模糊的图像。
<3.第三实施例>
在第三实施例中，将描述一种当用手持或肩扛的相机摄像时抑制相机移动的方法的例子，或者一种当监控相机等被固定并安装在一结构上时抑制由于风等所引起的结构振动所导致的相机移动的方法的例子。当相机被握在手中时抑制移动的光轴偏转角一般被认为对于相当小的移动大约是0.014°，对于相当大的移动大约是0.028°，并且对于非常大的移动大约是0.056°。对于超远距监视相机(其水平视角为1°或更小)，存在以下例子，其中抑制移动的光轴偏转角被设置为大约0.02°。当通过将相机握在手中或者将相机扛在肩上来拍摄图像或者监视相机等被固定并安装在一结构上时所必需的光轴偏转角也可以被认为一般是0.1°或更小。
在第三实施例中，基于这些值使滤光镜往复并旋转来进行移动校正。图15是图示根据第三实施例的模糊校正方法的特性图。与第一实施例中的图4类似，当滤光镜102和滤光镜110被驱动时，滤光镜被控制为使滤光镜102和滤光镜110在图15中的范围B内往复(通过将区域B设置为相机移动的校正范围)。然后，通过往复驱动来进行精微角度(例如，0.1°或更小)的移动校正。如果移动校正在垂直方向以及水平方向上是必需的，则以相同方式构成的光学单元100的一个或多个单元被设置在镜头之前，从而使穿过光学单元100的两个单元的光束进入摄取镜头124。在这种情况下，光学单元100的一个单元进行水平方向上的移动校正，而光学单元100的另一个单元进行垂直方向上的移动校正，因而这两个单元被布置为对光束折射的动作有90°的方向差。
<4.使滤光镜旋转的构造例>
接下来，将描述在包括上述光学滤波器300、摄取镜头124和图像传感器123的相机中旋转光学滤波器300的滤光镜302和滤光镜310的具体构造。图16和17是示出根据第二实施例的光学滤波器300的驱动机构和摄取镜头124作为例子的示意图。如图16和17所示，光学滤波器300的滤光镜302被放入支架400中。类似地，滤光镜310被放入支架410中。杆420在旋转轴1100的位置处穿透滤光镜302和滤光镜310，滤光镜302和滤光镜310可绕杆420旋转。齿轮402被设在支架400的外圆周上，并且齿轮412被设在支架410的外圆周上。齿轮430与齿轮402啮合，并且齿轮440与齿轮412啮合。拍照单元450包括摄取镜头124和图像传感器123，并且摄取镜头124的光轴1000相对于杆420偏移预定量。
在上述构造中，来自马达(未示出)的驱动被传输到齿轮430和齿轮440以在彼此相反的方向上旋转。在这种情况下，通过在齿轮430和齿轮440之间***一个空转轮，齿轮430和齿轮440可以借助一个马达在相反方向上以相同的速度旋转。因此，驱动力从齿轮430传输到齿轮402并从齿轮440传输到齿轮412，从而使得支架400所支撑的滤光镜302和支架410所支撑的滤光镜310在彼此相反的方向上旋转。
图18和19示出了滤光镜302和滤光镜310的截面图，并且图18示出了当在0°位置处从X方向的正侧看滤光镜302和滤光镜310时的状态。图19示出了当在90°位置处从X方向的正侧看滤光镜302和滤光镜310时的状态。
当根据第一实施例的光学滤波器100被构造时，滤光镜102由支架400支撑，并且滤光镜110由支架410支撑。然后，在旋转中心不提供杆420的情况下可旋转地支撑支架400和支架410的外圆周，可以构成光学滤波器100。同样在这种情况下，通过从齿轮430和440传输驱动力，滤光镜102和滤光镜110可以在相反方向上旋转。
上面已参考附图描述了本发明的优选实施例，当然本发明并不限于上述示例。本领域技术人员可以找到在权利要求的范围内的各种变更和修改，并且应当理解，它们很自然地落在本发明的技术范围内。
附图标记列表
100、300：光学单元
102、110、302、310：滤光镜
105、106、115、116、305、306、315、316：表面
123：图像传感器
124：摄取镜头
500：相机

Claims (15)

1.一种光学装置，包括：
第一光学元件，该第一光学元件包括以预定角度与旋转轴相交的第一表面和与所述旋转轴正交的第二表面并且围绕所述旋转轴旋转；以及
与所述第一光学元件相邻布置的第二光学元件，该第二光学元件包括第三表面和第四表面并且围绕所述旋转轴向与所述第一光学元件相反的方向旋转，所述第三表面和第四表面分别与所述第一表面和第二表面相对在所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的所述旋转轴上的一点呈点对称的空间关系，
其中所述第一表面由两个表面形成，这两个表面相对于所述旋转轴的倾斜朝向在沿垂直方向的包括所述旋转轴的边界表面中是相反的，并且
与所述第一表面相对所述旋转轴上的所述点呈点对称的空间关系的第三表面由两个表面形成，这两个表面与所述第一表面的两个表面相对所述旋转轴上的所述点呈点对称的空间关系。
2.如权利要求1所述的光学装置，
其中所述第一和第二光学元件围绕所述旋转轴在预定旋转角的范围内进行往复运动。
3.如权利要求1所述的光学装置，
其中所述光学装置被布置在用于形成物像的摄取镜头的物侧，处于所述摄取镜头的光轴和所述旋转轴相重合，从而允许已穿过所述第一和第二光学元件的光束进入所述摄取镜头的状态。
4.如权利要求1所述的光学装置，
其中所述光学装置被布置在用于形成物像的摄取镜头的物侧，处于所述摄取镜头的光轴和所述旋转轴相偏移，从而允许已穿过所述第一和第二光学元件的光束进入所述摄取镜头的状态。
5.如权利要求1所述的光学装置，
其中所述光学装置被布置在用于形成物像的摄取镜头的物侧，并且在移动的同时所述摄取镜头拍摄每帧图像的周期与第一和第二光学元件的旋转周期是同步的。
6.如权利要求1所述的光学装置，
其中所述光学装置被布置在用于形成物像的摄取镜头的物侧，并且在旋转光轴的朝向的同时所述摄取镜头拍摄每帧图像的周期与第一和第二光学元件的旋转周期是同步的。
7.如权利要求1所述的光学装置，
其中所述光学装置被布置在用于形成物像的摄取镜头的物侧，在旋转光轴的朝向的同时所述摄取镜头拍摄每帧图像的周期与第一和第二光学元件的旋转周期是同步的，并且所述光轴的朝向在所述摄取镜头的每帧内的改变量与当第一和第二光学元件旋转180°时的光束偏转量一致。
8.如权利要求1所述的光学装置，
其中所述光学装置被布置在用于形成物像的摄取镜头的前面的物侧、被布置在所述摄取镜头的后面的图像形成表面侧、或者被布置在所述摄取镜头的内部。
9.一种成像设备，包括：
光学元件，包括：
第一光学元件，该第一光学元件包括以预定角度与旋转轴相交的第一表面和与所述旋转轴正交的第二表面并且围绕所述旋转轴旋转；以及
与所述第一光学元件相邻布置的第二光学元件，该第二光学元件包括第三表面和第四表面并且围绕所述旋转轴向与所述第一光学元件相反的方向旋转，所述第三表面和第四表面分别与所述第一表面和第二表面相对在所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的所述旋转轴上的一点呈点对称的空间关系；
摄取镜头，该摄取镜头借助穿过所述光学元件的光束形成物像；以及
具有成像表面的图像传感器，由所述摄取镜头在所述成像表面上形成所述物像，
其中所述第一光学元件的第一表面由两个表面形成，这两个表面相对于所述旋转轴的倾斜朝向在沿垂直方向的包括所述旋转轴的边界表面中是相反的，并且
与所述第一表面相对所述旋转轴上的所述点呈点对称的空间关系的第三表面由两个表面形成，这两个表面与所述第一表面的两个表面相对所述旋转轴上的所述点呈点对称的空间关系。
10.如权利要求9所述的成像设备，
其中所述第一和第二光学元件围绕所述旋转轴在预定旋转角的范围内进行往复运动。
11.如权利要求9所述的成像设备，
其中所述摄取镜头的光轴和所述旋转轴相重合。
12.如权利要求9所述的成像设备，
其中所述摄取镜头的光轴和所述旋转轴相偏移。
13.如权利要求9所述的成像设备，
其中在移动的同时逐帧地拍摄物体的图像，并且拍摄每帧图像的周期与第一和第二光学元件的旋转周期是同步的。
14.如权利要求9所述的成像设备，
其中在旋转所述摄取镜头的光轴的朝向的同时逐帧地拍摄物体的图像，并且拍摄每帧图像的周期与第一和第二光学元件的旋转周期是同步的。
15.如权利要求9所述的成像设备，
其中在旋转所述摄取镜头的光轴的朝向的同时逐帧地拍摄物体的图像，并且所述光轴的朝向在每一帧的改变量与当第一和第二光学元件旋转180°时的光束偏转量一致。
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