切换摄像头视角方向的组件和方法与流程

1.本发明总体涉及一种切换摄像头视角方向的组件和方法，特别是使用快门。


背景技术：

2.在整个说明书中对现有技术的任何提及和/或讨论不应以任何方式被视为承认该现有技术是众所周知的或形成该领域公知常识的一部分。
3.改变摄像头的视角(dov)在许多摄像头应用中是期望的，例如无人机、安全摄像头或管道镜(以及所有相关设备，例如内窥镜)，通常需要机械旋转摄像头机身来改变dov。由于附加机械部件的重量、成本和复杂性，这在此类应用中是一个限制。
4.例如，许多无人机摄像头安装在万向节上，允许它们机械旋转以提供不同的dov。这增加了无人机摄像头组件的成本、重量和复杂性，并且带来了不确定性，即机械部件是否会因无人机的任何震动而受损。
5.本发明的实施例寻求解决上述问题中的至少一个。


技术实现要素：

6.根据本发明的第一方面，提供了一种用于切换摄像头视角方向的组件，包括：分束器元件，其被配置为设置在摄像头上；第一和第二快门元件；以及控制单元，其被配置为耦合到第一和第二快门元件；其中分束器元件被配置为使得分别入射在分束器元件的第一和第二面上的第一和第二光束可导向摄像头的入射透镜；其中第一和第二快门元件被配置为分别设置在第一和第二光束的路径中；其中，控制单元被配置为控制第一和第二快门元件，使得第一和第二快门元件中的一个处于打开状态而另一个处于关闭状态，反之亦然。
7.根据本发明的第二方面，提供了一种切换摄像头视角方向的方法，包括：将分束器元件设置在摄像头上，该分束器元件被配置为使得分别入射在分束器元件的第一和第二面上的第一光束和第二光束可导向摄像头的入射透镜；将第一和第二快门元件分别设置在第一和第二光束的路径中；并且控制第一和第二快门元件使得第一和第二快门元件中的一个处于打开状态而另一个处于关闭状态，反之亦然。
8.附图简要说明
9.通过以下仅作为示例的书面描述并结合附图，本领域的普通技术人员将更好地理解并且更容易明白本发明的实施例，其中：
10.图1(a)是说明标准立方体分束器(cbs)的示意图，允许dov从与顶面成90
°
的侧面进入摄像头传感器。
11.图1(b)说明了对于60
°
的视场(fov)，图1(a)中所示的两个dov之间的间隙为30
°
。
12.图2(a)示出了说明根据示例实施例cbs的两个入射面在它们前面具有独立操作的光快门的照片和示意图，其允许仅通过侧面[图2(a)的左侧]和仅从顶面[图2(a)的右侧]的视角。
[0013]
图2(b)是说明用于在附接到方向固定的无人机摄像头时切换摄像头视角方向的
组件的示意图，其允许根据示例实施例在地面处垂直向下的第二视角。
[0014]
图3(a)至(d)显示了立方体和非立方体分束器(n
‑
cbs)系列的示意图，其允许根据示例实施例定制顶面和侧面之间的dov差异,以适应摄像头fov。例如，根据一些示例实施例，这允许两个dov形成连续的广角视角。
[0015]
图4(a)是说明根据示例实施例图3(b)中位于fov为60
°
的摄像头上的n
‑
cbs几何形状的示意图，即，等于在两个n
‑
cbs入射面之间的dov间隔。
[0016]
图4(b)是说明根据示例实施例图4(a)的组件的两个fov是连续的，其允许在同一摄像头传感器上记录没有间隙的全景图的示意图。
[0017]
图5(a)是说明了用于示例实施例的图3(a)[图5(a)的右侧]中的n
‑
cbs棱镜几何形状和不同排列的棱镜[图5(a)的左侧]的相同直径摄像头孔径的比较。
[0018]
图5(b)是说明图5(a)左侧的棱镜布置，即包括标准cbs和三角棱镜的组合棱镜几何形状，的示意图。
[0019]
图5(c)是说明根据示例实施例的包含单独可切换区域以允许/阻止光到达图5(b)的棱镜几何结构的两个入射表面的单光快门的示意图。
[0020]
图6示出说明用于示例实施例的来自图5(b)的位于两个摄像头上的相同组合棱镜布置的示意图，其中侧视角指向相反方向。
[0021]
图7(a)、(b)是说明根据示例实施例位于两个摄像头上的棱镜的不同布置的示意图，其中共同允许连续视场超过单个摄像头fov的四倍，从而对移动物体进行高倍放大跟踪，每个摄像头的单独fov到下一个摄像头。
[0022]
图8是说明用于示例实施例的来自图3(b)的位于具有60
°
标准fov的两个摄像头上的n
‑
cbs棱镜布置的示意图。顶视角允许立体成像(
‑
30
°
到 30
°
)。n
‑
cbs棱镜面向相反方向，因此侧视角提供180
°
的组合视场。
[0023]
图9(a)、(b)和(c)是说明用于示例实施例的其他棱镜布置以实现与图3(b)中所示相同的效果的示意图。
[0024]
图10是图示用于示例实施例的来自图3(d)的大于90
°
的的广角fov的n
‑
cbs棱镜布置的示意图。
[0025]
图11图示了用于示例实施例的cbs单元的堆叠以提供两个以上的dov，具体地，图11(a)是图示了一个dbs的示意图，给出了两个dov，图11(b)和(c)是图示了两个堆叠的cbs的示意图，给出了三个dov，注意图11(c)中的上部cbs较大，允许查看完整的fov，图11(d)显示了对应于图11(c)的照片，其中较大的cbs堆叠在较小的cbs的顶面，以及图11(e)显示了使用图11(c)中的两个cbs几何结构实现的三个dov的图，其中dov具有较大的角间距。
[0026]
图12(a)和(b)说明了用于示例实施例的与图11(c)中相同的堆叠cbs的几何形状，但现在将次级棱镜连接到cbs侧表面，以便净dov与来自顶面的dov是连续的。
[0027]
图13是图示与图11(c)中相同的堆叠cbs几何形状的示意图，但是将cbs之一旋转90
°
，用于示例实施例中。
[0028]
图14(a)是说明用于示例实施例的三个等边棱镜的布置的示意图，具有三个入射面，每个棱镜一个，在每个棱镜上具有单独的光快门。在这种情况下，假设摄像头fov为60
°
。
[0029]
图14(b)和(c)是示出图14(a)的布置中侧面快门关闭并且仅顶面快门打开的示意图。
[0030]
图14(d)是说明图14(a)的布置中只有左侧快门打开的示意图。
[0031]
图14(e)显示了用于示例实施例的与图14(a)相比类似的棱镜排列，但其中的中央棱镜具有平坦的底座，允许来自顶面的光直接进入它而不通过任何一个倾斜的界面。
[0032]
图15(a)是图示根据示例实施例的三个直角棱镜的布置的示意图，具有三个入射面，每个棱镜一个，在每个直角棱镜上具有单独的光快门。在这种情况下，假设摄像头fov很大，大约90
°
。
[0033]
图15(b)是说明图15(a)的布置中侧面快门关闭,仅顶面快门打开的示意图。
[0034]
图15(c)是图15(a)的布置中仅示出左侧快门打开的示意图。
[0035]
图16(a)是示出根据示例实施例的用于具有窄fov的大孔径、高放大率dslr摄像头的另一可选dov几何形状的示意图，其中涉及一个固定几何板分束器和固定几何反射镜。
[0036]
图16(b)是图示根据示例实施例的具有中等fov的大孔径dslr摄像头的另一几何形状的示意图。
[0037]
图17示出了说明根据示例实施例的切换摄像头视角的方向的方法的流程图。
具体实施方式
[0038]
本发明的实施例应用光快门以允许/阻止光进入放置在摄像头的入射孔径上方的多个棱镜或其他光学元件(例如分束器板或反射镜)之一的布置的可选择面。在一个实施例中，所使用的棱镜是立方体分束器(cbs)，其具有以90
°
分开的两个入射面，这两个入射面都允许图像落在摄像头传感器上。在其他实施例中描述了更大的非立方体分束器(n
‑
cbs)系列，其允许两个视角(dov)的分离从90
°
增加或减少。因此，可以选择分离角以使其与摄像头视场(fov)相匹配，根据示例实施例允许从两个方向的广角、连续视角。
[0039]
本发明的各种实施例将光快门布置在两个(或更多)棱镜入射面上，这允许不同的dov被偏转到相同的摄像头传感器上。根据各种示例实施例的液晶快门的使用提供了一种简单地通过向一个或多个快门施加小电压来快速切换摄像头的dov的方法，从而在任何给定时间仅记录一个dov。以这种方式，无需机械旋转摄像头机身来改变dov。这在摄像头的许多应用中很重要，例如无人机安全摄像头或管道镜(以及所有相关设备，如内窥镜)，其中附加机械部件的重量、成本和复杂性是一个限制。此外，各种示例实施例可以消除对与不同dov对齐的第二摄像头的需要，因为可以使用位于一个摄像头上的切换能力来查看该方向。
[0040]
除非另有说明，fov和dov表示为角度视角的沿水平方向的线性角度。相同的水平方向被认为是第二侧dov所在的方向，即这是弯曲平面。
[0041]
这里没有考虑为了将它们缝合在一起而可能在相邻fov之间建立的任何重叠。为了清楚和易于讨论，省略了这一点，但并不暗示该方面在某些实施例中不重要，并且此类实施例在本发明的范围内。
[0042]
在下面的描述中，术语棱镜是与示例实施例相关地使用的，但是注意，本发明的实施例也可以使用其他光学元件来实现，例如用于更大孔径摄像头的板分束器或反射镜。因此，根据其他示例实施例，术语棱镜可以被视为这种光学元件的占位符。一些这样的其他示例实施例在下面进一步具体阐述。
[0043]
基于液晶(lc)的设备自1970年代或更早已经建立并广泛使用，其可以阻挡或透射可见光。它们具有夹在两个平行玻璃板之间的薄lc层(通常是向列型版本)，其外表面具有
交叉的线性偏振器。lc层通常是扭曲的，以便将透射光的偏振态旋转90
°
。根据偏振器的布置，在lc层上没有施加电压的情况下，透射过第一偏振器的线偏振光旋转90
°
，并透射通过垂直于第一个偏振器的第二个偏振器。施加小电压(通常为几伏)会使lc层解除扭曲，使其不再旋转光，因此没有光透过第二个偏振器。
[0044]
液晶面板广泛用于显示器。早期的lc面板在其频率响应方面受到严重限制，而现代lc层能够快速切换其光传输状态。可以在10毫秒的时间范围内切换状态的lc面板现已广泛使用，可用于各种产品，例如3d视觉护目镜中的lc快门眼镜。此外，现在可以使用更快的切换lc面板(几十微秒)，但成本有所增加。本发明涉及某种形式的光快门，以改变状态，从透射到阻挡入射光。尽管在整个说明书中都假设了lc快门，但还有其他选项，例如但不限于，也在本文描述的实施例之一中描述的机械快门。
[0045]
参考图1(a)，立方体分束器(cbs)100是标准光学元件，其在科学实验中有许多应用以将光束分成彼此成直角的两个分量。它们包括沿它们的斜边连接在一起的两个直角棱镜102、104。倾斜界面106具有45
°
的角度并且具有典型的1:1的光透射/反射比，然而这可以根据需要改变。人们可以使用cbs100来允许彼此成直角的两个视角108、110落在一个摄像头112传感器上。通过顶视角的dov114被定义为直线前进方向，dov＝0
°
，而侧视角的dov116具有dov＝
‑
90
°
。因此，对于围绕中心光线的fov为60
°
，即
±
30
°
的“标准”摄像头，两个fov108、110在角度上分开，也如图1(b)所示，在该示例中，它们之间的间隙118为30
°
。注意，两个fov110、108在摄像头112传感器上“重叠”，并且如果同时记录可能不会提供有意义的图像。然而，该几何图形可以用于本发明的示例实施例中，其中快门元件(未示出)用于在记录期间切换视角，如现在将参考图2(a)和图2(b)针对示例实施例进行描述的。
[0046]
图2(a)示出了本发明的示例实施例的基本原理，其中cbs204的两个入射面200、202在它们前面具有独立操作的光快门206、208，覆盖相应的整个面200、202。在没有施加电压的情况下，每个快门206、208透射光，并且在施加电压的情况下，每个快门206、208被切换到不透射的暗状态。因此，在图2(a)的左侧，顶面快门206具有施加到其上的电压，因此光仅从侧面202进入cbs204。在图2(a)的右侧，情况相反，因此光仅从顶面200进入。
[0047]
如背景部分所述，许多无人机摄像头安装在万向节上，允许它们机械旋转以提供不同的dov。这增加了成本、重量和复杂性，并带来了机械部件是否会因无人机的任何震动运动而损坏的不确定性。在其他无人机中，摄像头具有固定的dov，通常与地面平行，因此只能获得正前方的视角。在这种固定的摄像头几何结构中，没有简单的方法可以向下查看。图2(b)示出了附接到方向固定的无人机摄像头212的光学系统210的示例实施例。该示例实施例允许无人机摄像头212以第二个dov214查看，在这种情况下，其相对于正前方视角216，直接向下指向地面。此外，由于切换时间仅为几分之一秒，因此可以容易地跟踪两个视角214、216，而不必等待机械运动来重新对准摄像头。在示例实施例中，控制单元218被提供并耦合到第一和第二快门元件220、222。控制单元218被配置为控制第一和第二快门元件220、222，使得第一和第二快门元件220、222中的一个处于打开状态而另一个处于关闭状态。例如，如图2(b)所示，在一个开关状态下第一快门元件220关闭而第二快门元件222打开，在另一种开关状态下反之亦然。控制单元218还可以用于控制图像的记录和显示。
[0048]
在该示例应用中，两个dov214、216是否提供连续的fov可能并不特别重要。还有其他应用可能需要侧面的第二个dov与正面的dov以一定角度连接，例如在安全摄像头中或在
跟踪远处物体时，现在根据本发明的其他示例实施例来考虑这个方面。为了形成连续的fov，两个面的dov差异应当与摄像头的fov大小相等。
[0049]
图3说明了如何将标准cbs300视为更大系列的非立方体分束器(n
‑
cbs)中的特例，其作用是允许两个不一定呈直角的dov落在一个摄像头传感器。n
‑
cbs301至303各自的顶入射面具有相同的dov＝0
°
；n
‑
cbs301至303的顶面和底面保持平行，例如参见n
‑
cbs301的304、306，导致中心光线没有净偏转。然而，侧面的dov例如n
‑
cbs301的306取决于中心界面的角度，例如。308在n
‑
cbs301
‑
303的两半之间。在图3(c)中，标准cbs300的侧面dov＝
‑
90
°
，则该中心界面的角度为45
°
。在图3中，按照惯例，侧面(例如306)的dov，被赋予负角以与整个说明书使用的坐标系保持一致。
[0050]
在图3(b)的顶部，中心界面310具有60
°
的倾斜角，使得侧面314的dov为dov＝
‑
60
°
。中心界面310的较大倾斜角(与标准cbs300相比)意味着几何形状具有长方形轮廓而不是立方体轮廓。然而，进入侧面314的中心光线312并不垂直于表面，导致折射效应导致落在传感器上的图像模糊。为了克服这个问题，在图3(b)的中部，左入射面314a倾斜以垂直于中心光线316，使得n
‑
cbs302的左半部分是等边三角形。在图3(b)的底部，右侧面318相应地倾斜，使得n
‑
cbs319的右半部分也变成等边三角形。这有助于增加通过顶面320查看的fov。使右半部分与左半部分相同的另一个优点是降低了生产成本，因为n
‑
cbs319仅由棱镜几何结构组成。
[0051]
图4(a)示出了位于摄像头400上的n
‑
cbs319的几何形状，其fov为60
°
，即等于两个n
‑
cbs319入射面314a、320之间的dov间隔。现在，也如图4(b)所示，两个fov402、404是连续的，允许在同一摄像头400传感器上记录没有间隙的全景图。注意，两个fov402、404在摄像头400传感器上“重叠”，并且如果同时记录可能不会提供有意义的图像。然而，该几何形状可用于本发明的示例实施例中，其中快门元件(未示出)用于在记录期间在视角之间切换，也比较参照图2(a)和(b)描述的实施例。图3(a)的顶部显示了n
‑
cbs301几何形状，用于20
°
的窄fov，其中侧面dov位于
‑
20
°
。这意味着中心界面308的角度为80
°
，因此n
‑
cbs301变得非常高。在图3(a)的中部，左入射面306再次成角度，使得中心光线322垂直于表面306。在图3(a)的底部，该表面306在n
‑
cbs321中被截断，因为该外部区域在将侧面dov图像偏转到摄像头324中没有任何作用。
[0052]
图3(d)显示了具有非常宽fov的另一个极端情况，在这种情况下fov为100
°
。现在，该侧的dov理想地以
‑
100
°
为中心，因此中心界面326的角度很小，等于40
°
。n
‑
cbs303几何形状现在具有低纵横比，与允许进入顶入射面328的更大fov一致。是否可以从侧向观察完整fov取决于摄像头330相对于摄像头330的外壳(未示出)的边缘，以及棱镜的尺寸。在图3(d)的中间，左入射面332倾斜以垂直于中心光线334，使得n
‑
cbs323的左半部分是三角形。在图3(d)的底部，右侧面336也以相反的方向倾斜，使得n
‑
cbs325的右半部分也变成三角形。
[0053]
因此，图3(a)到(d)展示了一个完整的非立方体分束器系列(称为n
‑
cbs)，其中心界面的几何形状和倾斜角由从两个入射面形成连续fov的要求决定。n
‑
cbs的最终轮廓可以如图所示，但在不同实施例中其他变化也是可能的。正交、非弯曲平面中的n
‑
cbs范围优选地还考虑摄像头fov，这取决于两个方向上的视角的比率。已经完整地描述了n
‑
cbs系列，下面讨论了根据不同实施例提供与来自两个入射面的连续fov相同能力的其他的棱镜组合。在某些情况下，一种几何形状可能优于其他几何形状。
[0054]
有许多摄像头应用需要对远处的物体或人进行高倍放大。在这种情况下，入射光具有狭窄的fov，进入尽可能大的摄像头孔径，因为应最大限度地收集光。使用图3(a)中的n
‑
cbs301棱镜放置在大孔径镜头上的一个问题是它具有高纵横比，换句话说，它突出了很多。为了强调这一点，图5(a)显示了具有相同直径的摄像头500孔径，该孔径完全被棱镜几何形状覆盖，对于n
‑
cbs301和另一种棱镜布置502的比较，其更详细地呈现在图5(b)和(c)。显然，n
‑
cbs301的主要限制是它从摄像头500表面延伸的距离很大。相比之下，棱镜几何形状布置502更紧凑。在应用到窄fov的本发明的实施例的剩余讨论中，作为示例而非限制，仅考虑该几何形状502。
[0055]
图5(b)描述了这种组合棱镜几何形状布置502的原理，其包括标准cbs504，允许通过顶面505以
±
10
°
的fov506上进行查看。附接到cbs504的左侧的是具有高反射表面510(而不是cbs504的部分反射表面512)的三角棱镜508。侧视角514包括通过偏转通过两个棱镜形成的
‑
30
°
到
‑
10
°
角度范围的光；首先遇到三角棱镜508，使中心入射光线偏转70
°
，使其垂直于入射面516进入cbs504。然后它在另一个方向偏转90
°
进入摄像头518的孔径。这种方法的优点是(i)组合棱镜几何结构布置502紧凑并且不显着突出，(ii)如图5(c)所示，单个双区域光快门520可能足以切换从两个入射面505和516进入的光。在示例实施例中，控制单元522被提供并耦合到双区域光快门520。控制单元522被配置为控制单个双区域光快门520，使得区域之一处于打开状态而另一个区域处于关闭状态，反之亦然，如标号520a、520b所示的各个开关状态。控制单元522还可以用于控制图像的记录和显示。这种方法的一个缺点是通过组合棱镜几何形状布置502的的光路长度是通过单个棱镜的光路长度的两倍，这就限制了可以在没有过多光损失的情况下通过的fov。在实践中，它被发现在大约40
°
的fov下都能很好地工作。
[0056]
在本发明的其他实施例中，图6和图7示出了如何将两个摄像头1、2结合以提供与方向切换能力相结合的新功能。根据应用，摄像头1、2可以是同步的或异步的。每个摄像头1、2可以同时读取和显示。
[0057]
在图6中，来自图5(b)的相同组合棱镜装置502位于每个摄像头1、2上，并标记为600和602，侧视角指向相反方向。在正常操作中，同时记录顶视角604、606，实现立体观看。当一起或单独选择侧视角608、610(图5(b)中未示出的快门)时，用户可以在比立体视角模式可能的角度范围更宽的角度范围内查看。
[0058]
在图7(a)中，根据另一个实施例示出了不同的棱镜布置700，共同允许超过单个摄像头fov的四倍的连续视场，通过每个摄像机的单独fov，对移动物体进行高放大倍数跟踪，直到下一个。棱镜的布置700可以与所示出的不同，这意味着仅指示可用于改变dov的选项范围。例如，在该实施例中，摄像头2使用顶面上的楔形棱镜702通过折射改变dov704，而侧视角706、708和前视角709使用与图5(b)中的棱镜布置502相同的原理来定义。在示例实施例中，控制单元710被提供并耦合到快门元件711
‑
714。控制单元710被配置为控制与摄像头1相关联的快门元件711、712和与摄像头2相关联的快门元件713、714，使得每个摄像头的一个快门处于打开状态而另一个处于关闭状态，反之亦然。控制单元710还可以用于控制图像的记录和显示。
[0059]
考虑图7(b)，其中使用相同的摄像头1、2和棱镜布置700来跟踪远处的物体710，在该示例中，兔子从左到右跑过组合视场。首先，在屏幕(未示出)上并排显示视角(i)708(摄
像头1)和视角(ii)704(摄像头2)。当兔子从视角(i)移动到视角(ii)时，摄像头1切换到视角(iii)709以允许进一步跟踪兔子。一旦兔子从视角(ii)移开，摄像头2就切换到视角(iv)706。
[0060]
图8还示出了立体双摄像头示例实施例，这里装配有不同的棱镜布置800。在该实施例中，假设fov为60
°
的中等摄像头，具有图3(b)、图4(b)所示的n
‑
cbs棱镜302，在图8中标记为802a和802b。它们面向相反的方向，因此它们的侧视角804、806分别覆盖了从(
‑
90
°
到
‑
30
°
)和( 30
°
到 90
°
)的dov。顶视角允许立体成像在(
‑
30
°
到 30
°
)，因此布置800的组合fov为180
°
。
[0061]
图9显示了使用cbs900，对于60
°
的标准fov，可以实现与图3(b)、图4(b)中描述的相同效果的其他方式。在图9(a)中，cbs900相对于摄像头901倾斜15
°
。即使穿过顶面904的中心光线902的净角度没有偏差，作为一个缺点，在穿过cbs900的中央倾斜边界905时，入射角锥的浅入射角接近
‑
30
°
，能引起显着的色度失真。来自侧面908的fov906朝着直线前进方向(即，朝着顶面904的方向)移动，使得它从顶面904接合fov910。
[0062]
在不同的示例实施例中，如图9(b)所示，楔形棱镜912放置在顶面904上方。在图9(b)中，cbs900相对于摄像头901倾斜12.5
°
。现在上部和下部玻璃表面914、916不平行并且来自顶面904的dov918(以及因此相关联的fov)通过折射向负角倾斜5
°
，即从侧面908向fov906倾斜。楔形棱镜912意味着随着到cbs900的中心倾斜边界905的入射角增加，通过顶面在fov中看到的色度失真更少。
[0063]
图9(c)示出了不同几何形状的非立方体分束器920，其利用了上述图9(a)和(b)的相同原理。棱镜#1和棱镜#2之间的中心倾斜边界922，如在标准cbs中，成45
°
角。两个相同的三棱柱#1和#2的形状现在是不等边的，也就是说，没有一条边(或角)是相同的。该几何形状有效地利用向cbs的顶面和左侧添加楔形棱镜，通过折射分别进入摄像头928的中心光线924、926而引起10
°
偏转(在该示例中)。应注意，该示例中的非立方体分束器920相对于摄像头928不倾斜。不是如图9(b)中将单独的楔形棱镜添加到cbs的顶面以提供额外的偏转，作为替换通过使用用于不同实施例的非立方分束器(如图9(c)所示的非立方分束器920)将额外的楔形棱镜有效地结合到cbs的一侧或两侧而产生相同的效果。
[0064]
在图9(c)所示的示例中，对于70
°
的摄像头fov，顶部dov从
‑
10
°
的中心延伸到 25
°
和
‑
45
°
的最大值。左侧fov从
‑
80
°
的中心延伸到
‑
45
°
和
‑
115
°
的最大值。两个fov现在是连续的，而标准cbs会在两个fov之间留下20
°
的间隙。取决于摄像头fov，在不同的实施例中使用的该几何形状的其他变化是可能。
[0065]
值得注意的是，另一方面，图9(a)和(b)和(c)突出了图3(b)、4(b)中n
‑
cbs319对于60
°
中等fov，没有色度失真的优势，因为来自两个入射面的入射(和出射)中心光线垂直于表面。
[0066]
图10显示了如何利用图3(d)中所示的n
‑
cbs323几何结构来实现非常宽的fov，在图10中标记为1000。对于如此宽的fov，由于n
‑
cbs1000棱镜几何的有限接受角，通常约为70到80
°
。对于较大的fov，从侧视角1002来看，通常会有一些fov截断。此外，应该优先仔细考虑摄像头1004相对于摄像头机身边缘、棱镜尺寸等的位置。
[0067]
根据不同的示例实施例，以上集中描述使用一个n
‑
cbs和图3中的n
‑
cbs系列的其他变体在两个方向的视角能力。在各种实施例中，可以将该原理扩展到以三个或更多个dov
视角。尽管图3中的任何n
‑
cbs系列都可以根据不同实施例的需要被并入，在下文中，集中描述使用两个或更多个标准cbs可以实现的内容。考虑图11(a)，其显示了可用于通过左侧面(箭头1102)或顶面fov1104进行观察的单个cbs1100。窄摄像头fov1104由锥体的角宽度展示。只要锥体适合在cbs1100顶面1105内，则cbs1100不限制fov1104。现在考虑图11(b)，其中第二个相同的cbs1106放置在第一个cbs1100的顶部，面向相反的方向。现在摄像头可以有第三个dov视角，由箭头1107指示。注意，该布置1108使用三个光快门(未示出)放置在组合cbs布置1108的每个入射面上，一次只有一个被打开。
[0068]
然而，并非所有角锥都可以装入顶面1110，通过上部cbs1106的顶面1110观看的fov1104a被截断。在如图11(c)所示的实施例中使用逐渐变大的cbs，例如，对于整个组合cbs布置1114的高度的每一增量1112，可以避免这种限制。现在相同的fov1104安装在上表面1116内部，因此它没有被截断。图11(d)示出了该系统的原型示例实施例，该系统使用安装在摄像头1120孔径顶面上的边长为10mm的cbs1118和安装在cbs1118的顶面上的边长为20mm的cbs1122实现。
[0069]
图11(e)强调在该示例实施例中，因为cbs的偏转角为90
°
并且fov远小于此，三个dov1123
‑
1125具有大的角间距。在与图11(c)相同的两个cbs的基本布置中，使用分别附接到cbs1210、1212的侧表面的次级棱镜1206、1208如上面参考图4(b)所描述的，以及如图12(a)和(b)所示，将侧视角的dov1200、1202可以与顶表面dov1204的视角邻接。
[0070]
使用与图11(c)中相同的两个cbs的基本布置，如图13所示，侧视角1300、1302可以通过将cbs1304之一相对于cbs1306旋转90度而彼此正交，以便其中心连接将光线从正交平面偏转到摄像头中。
[0071]
应该优先考虑的另一个因素是每个分束器界面的透射/反射比。参见例如图11(a)，对于正好两个方向，通常需要1:1的透射/反射比，以便侧面和顶面产生类似强度的视角。对于三个方向，参见例如图11(b)
‑
(d)，可以选择下部分束器的透射/反射比为2:1，上部分束器的透射/反射比为1:1，从而在所有三个方向上产生近似相等的强度。根据示例实施例的这种布置，原则上可以扩展到更多堆叠在彼此顶部，或者在不同的示例实施例中并排的cbs。在不同的实施例中，这样的布置也可以用不同类型的分束器来实现，例如板分束器。
[0072]
上面已经描述了根据示例实施例可以如何使用两个cbs的堆叠布置来沿着三个dov查看。人们发现通过组合棱镜布置的长光路长度适用于具有窄fov的摄像头。下面考虑如何根据各种实施例在具有更宽fov的摄像头上实现三个dov。
[0073]
考虑根据示例实施例的图14(a)中的位于具有60
°
fov的摄像头1402孔径上的棱镜布置1400。与仅具有一个倾斜界面的标准cbs或图3中所示的任何n
‑
cbs相比，该布置1400将三个等边棱镜#1
‑
#3组合在一起，具有两个接合的界面1406、1408。接合的界面1406、1408使得它们透射/反射相等比例的光。现在有用于组合棱镜装置1400的三个入射面1409
‑
1411，每个棱镜#1
‑
#3一个，在每个棱镜上具有单独的光快门#1
‑
#3。在示例实施例中，控制单元1412被提供并耦合到快门#1
‑
#3。控制单元1412被配置为控制快门#1
‑
#3，使得一个处于打开状态，而其他处于关闭状态。控制单元1412还可以用于控制图像的记录和显示。
[0074]
如图14(b)所示，考虑当两个侧光快门#1、#3关闭并且仅顶面光快门#2打开使得光仅通过顶面1410进入时的情况。50％的入射光穿过倾斜界面1406、1408并入射在摄像头1402传感器上，形成dov＝0
°
的图像。从顶面1410进入的另外50％的光被倾斜界面1406、
1408反射，如图14(c)所示。由于反射角的增加，该光要么落入摄像头1402入射孔径之外，要么以大于摄像头1402的fov的角度进入，因此对记录的图像没有贡献。
[0075]
在图14(d)中，只有左侧快门#1是打开的。现在50％的入射光从倾斜界面1406反射并落在角锥1412(等于fov1414)内的摄像头1402孔径上，因此它被摄像头1402传感器记录。透射通过界面1406的50％的入射光以摄像头1402的fov之外的角度继续未偏转，因此即使它进入摄像头1402孔径，它也不会对记录的图像做出贡献。因此，完整的fov1414是从
‑
60
°
的dov记录的。当仅右侧快门#3打开时，同样的论点适用于形成具有 60
°
dov的图像。因此，根据示例实施例，通过顺序打开快门，在该示例实施例中将摄像头1402的fov增加三倍，可以看到180
°
的完整、连续的fov。
[0076]
根据摄像头1402孔径和fov的相对尺寸以及从不同dov到达摄像头1402孔径所需的光量，也可以使用如图14(e)所示的几何形状1416。此处，中心棱镜#2具有平底1418，允许来自顶面1420的光直接进入它而不通过倾斜界面1422、1424中的任一个。
[0077]
对于大于或小于60
°
的fov，可以调整棱镜几何形状1400、1416，以允许三个fov连接成一个连续的广角复合视角。
[0078]
使用类似的原理，图15(a)示出了三个直角棱镜#1至#3的组合布置1500。这里，棱镜#1和#3是相同的，而棱镜#2是√2倍大。如上所述，存在具有相等反射/透射比的两个接合界面1502、1504和在三个入射面上方的三个光快门1505
‑
1507。在这种情况下，假设摄像头1508的fov很大。在示例实施例中，控制单元1509被提供并耦合到快门1505
‑
1507。控制单元1509用于控制快门1505
‑
1507。控制单元1509还可以用于控制图像的记录和显示。
[0079]
首先考虑仅顶快门1506打开，如图15(b)所示，允许光进入组合棱镜布置1500的顶面1509。50％的入射光透射通过倾斜界面1502、1504并入射到摄像头1508传感器，形成以dov＝0
°
为中心的图像。从顶面进入的另外50％的光被倾斜界面1502、1504中的一个或另一个反射，并且由于在反射期间获得的角度增加，它或者落入摄像头1508入射孔径之外，或者以比fov更大的角度进入，因此它对图像信息没有贡献。
[0080]
在图15(c)中，只有左侧快门1505打开。考虑从
‑
45
°
到
‑
90
°
(1510)的dov的入射光。透射通过界面1502的50％的光以摄像头1508的fov之外的角度继续不偏转，因此即使它进入摄像头1508孔径，它也不会对记录的图像做出贡献。从倾斜界面1502反射的50％的光落在fov内的摄像头1508孔径上，因此被记录。
[0081]
现在考虑从
‑
90
°
到
‑
135
°
(1512)的dov范围内从更大、更负角度的入射光。从倾斜界面1502反射的光落在摄像头1508孔径之外，因此不被记录。不记录通过倾斜接口1502透射的光。因此，摄像头1508传感器仅记录从
‑
45
°
到
‑
90
°
的一半fov，因此传感器的一半保持黑暗。
[0082]
如果右侧快门1507与左侧快门1505同时打开，则从 45
°
到 90
°
的dov记录图像，并填充摄像头1508传感器的另一半用于记录来自左侧传感器的任何内容。因此，分离的fov可以用于记录两个dov，包括从图15(b)中的顶面1509增加的广角dov。
[0083]
图15(a)至(c)中所示的棱镜布置1500也有不同的实施例，其可以结合中心棱镜的平坦底部，如图14(e)中所示。
[0084]
即使摄像头的孔径和fov与上述不完全相同，仍然可以通过限制入射光的角锥从侧入射面布置相同的分割dov视角从而它只占据fov的一半，因此，根据不同的实施例，仅记
录在传感器的一半上。
[0085]
机械快门的使用
[0086]
在上述实施例中用于允许/阻止光进入各种组合棱镜几何形状的表面的快门是lc快门。然而，它们确实有一些缺点，包括(i)低透射比，即当快门处于打开状态时入射光的比例。由于入射光的必要偏振，这立即将透射百分比降低到通常小于50％。(ii)有限抑制比，即快门在关闭状态下与打开状态相比透射的入射光的比例。对于低成本的lc快门，订单通常为数百个，对于更昂贵的快门，则为数千个。(iii)切换速度。低成本的lc快门可以在10毫秒的时间范围内切换其状态，而成本较高的可以在不到1毫秒的时间范围内切换状态。(iv)对排斥光的可变角度响应。
[0087]
由于这些缺点，本发明的各种实施例可能依赖于机械快门而不是lc快门的使用。机械快门具有某些优点，例如(i)更高的透射比，即100％，因为光在进入棱镜之前不会通过任何介质，(ii)非常高的抑制比，因为光完全停止在快门材料中。然而，它们的缺点包括成本、尺寸、重量和几何形状。
[0088]
使用板分束器和/或反射镜
[0089]
棱镜非常适用于本发明的实施例，如应用于小孔径摄像头，通常其中孔径尺寸直径仅为几毫米。对于较大孔径的摄像头，通常大于1厘米，如变焦镜头、数码单反相机、双筒望远镜、望远镜、望远镜等，可以使用分束器板或反射镜执行相同的功能，其优点是比固体棱镜轻，并且可以旋转以包含可变的视角。
[0090]
图16(a)示出了根据示例实施例应用于大孔径dslr摄像头1600的布置。由于大镜头1601孔径太重，使用实心玻璃棱镜来定义偏转角可能不切实际。另一种选择是使用板分束器1602而不是cbs。可以选择1:1的透射光/反射光比，从而情况与上述标准cbs相同。双区域光快门1604允许光从dov＝0
°
或从dov＝
‑
20
°
直接进入摄像机镜头1601，在那里它首先被高反射镜面1606偏转朝向部分反射分束器1602，然后将其偏转90
°
进入摄像机镜头1601。在示例实施例中，控制单元1607被提供并耦合到双区域光快门1604。控制单元1607用于控制双区域光快门1604，使得一个区域处于打开状态，而其他区域处于关闭状态，反之亦然。控制单元1607还可以用于控制图像的记录和显示。
[0091]
图16(b)示出了根据示例实施例，当布置在具有60
°
的中等fov的大孔径透镜1622之上时，如何使用单板分束器1616结合两个光快门1618、1620实现与图4(a)中类似的功能。如图4(a)所示，需要允许第二个dov，该dov扩展了通过直线前进方向可用的fov。这里使用板分束器1616实现的，该板分束器具有1:1的透射光：反射光比和60
°
的固定对准角。在示例实施例中，控制单元1617被提供并耦合到光快门1618、1620。控制单元1617被配置为控制光快门1618、1620，使得一个区域处于打开状态而另一区域处于关闭状态，反之亦然。控制单元1617还可以用于控制图像的记录和显示。当光透射通过板分束器1616时，右侧光快门1620打开而左侧光快门1618关闭，则可以查看正前方方向。然而，当光从板分束器1616反射时，右侧光快门1620关闭而左侧光快门1618打开，则可以查看侧向
‑
60
°
的dov。使用单反射的这种布置1624可以更适合于该更大的fov，其中像图16(a)中那样的双反射布置可能涉及通过较长路径长度的显着光损失。可以选择使用与图16(b)中相同的几何结构布置1624，但使用可自由旋转的板分束器与快门结合，以便可以改变侧视角dov，而正前方视角dov最好保持不变，也比较图9(a)。
[0092]
使用x立方体沿三个方向查看
[0093]
x立方体与分束器立方体有相似之处，但由四个形状相同的直角棱镜制成。它们的作用是将从三个不同的人脸输入的不同颜色图像组合成一个合成图像，该图像可以通过第四个人脸看到。因此，它们的作用类似于本文所述的用于组合来自两个入射面的图像的分束器立方体的作用。不过，x立方体的定义特征是它们的动作取决于从三个面进入的不同颜色(红色、绿色、蓝色)，因此它们无法组合全彩色图像。某些实施例可以允许来自三个方向的单波长图像在同一传感器上组合，其中它们可以在软件中分离。
[0094]
如果能够容忍图像强度的显着降低，则可以使用与x立方体类似的布置在三个正交方向上进行查看，如图11所示。这将涉及去除存在于传统的x立方体中红/绿/蓝滤色器，并且每个内部界面都是部分反射的，在整个可见光谱中的透射/反射比为1:1。每个dov将通过从一个内部界面反射并通过另一个界面透射而形成，另外两个dov被光快门阻挡。因此，每个dov只能收集25％的入射光，因此适合在强环境照明条件下运行。
[0095]
在一个实施例中，提供了一种用于切换摄像头视角方向的组件，包括：分束器元件，其配置为设置在摄像头上的；第一和第二快门元件；控制单元，其被配置为耦合到第一和第二快门元件；其中，分束器元件被配置为使得分别入射在分束器元件的第一和第二面上的第一和第二光束可导向摄像头的入射透镜；其中第一和第二快门元件被配置为分别设置在第一和第二光束的路径中；其中，控制单元被配置为控制第一和第二快门元件，使得第一和第二快门元件中的一个处于打开状态而另一个处于关闭状态，反之亦然。
[0096]
该组件还可以包括第一棱镜元件，其被配置为设置在第一光束的路径中，使得第一光束在入射到分束器元件的第一面之前被偏转。
[0097]
该组件还可以包括第二棱镜元件，其被配置为设置在第二光束的路径中，使得第二光束在入射到分束器元件的第二面之前被折射。
[0098]
该分束器元件可以被配置为相对于摄像头的入射透镜成一定角度设置。
[0099]
该组件还可以包括一个或多个被配置为设置在摄像头上的另外的分束器元件；和一个或多个另外的快门元件；其中每个另外的分束器元件被配置为使得分别入射在另外的分束器元件的第一和第二面上的第二光束和另外的光束可指向摄像头的入射透镜；其中每个另外的快门元件被配置为设置在另外的光束的路径中；并且其中控制单元还被配置为耦合到一个或多个另外的快门元件并且控制第一、第二和一个或多个另外的快门元件使得第一、第二和一个或多个另外的快门元件中的一个或多个处于打开状态，而至少另一个处于关闭状态，反之亦然。
[0100]
第一另外的分束器元件可以被配置为在平行于摄像头的入射透镜的平面的方向上邻近分束器元件设置。分束器元件和第一另外的分束器元件可以整体地实施为三个或更多个互连的棱镜。控制单元可以被配置为控制第一、第二和第一另外的快门元件，使得第一、第二和第一另外的快门元件中的两个处于打开状态而其余的处于关闭状态，反之亦然。该剩余的快门元件可以被配置为设置在三个相互连接的棱镜的中间的一个。三个相互连接的棱镜的中间的一个可以包括与分束器元件的第二面相对的平坦底面，并且被配置为设置在摄像头上，其中平坦底面面向摄像头的倾斜部。
[0101]
一个或多个第二另外的分束器元件可以被配置为在垂直于摄像头的入射透镜的平面的方向上设置在分束器元件上方。该一个或多个第二另外的分束器元件可以被配置为
相对于分束器元件和/或彼此处于旋转定向。
[0102]
至少分束器元件可以被配置为使得来自第一面和第二面的相应视场具有期望的相对取向。至少分束器元件可以被配置为使得来自第一面和第二面的相应视场基本上是连续的。至少分束器元件可以被配置为使得来自第一面和第二面的相应视场具有期望的角间距。
[0103]
该组件还可以包括两组或更多组，每组包括分束器元件以及第一和第二快门元件，相应组的分束器元件被配置为设置在相应的摄像头上。控制单元可以被配置为控制每组的第一和第二快门元件，使得第一组的第一和第二快门元件中的一个处于打开状态而另一个处于关闭状态，并且当第二组的第一和第二快门元件中的一个处于打开状态时另一个处于关闭状态。
[0104]
至少分束器元件可以包括立方体分束器。
[0105]
至少分束器元件可以包括非立方体分束器。
[0106]
分束器元件可以被配置为相对于摄像头的入射透镜可旋转。
[0107]
图17示出了说明根据示例实施例的切换摄像头视角方向的方法的流程图1700。在步骤1702，分束器元件被布置在摄像头上，分束器元件被配置为使得分别入射在分束器元件的第一和第二面上的第一光束和第二光束可指向摄像头的入射透镜。在步骤1704，第一和第二快门元件分别设置在第一和第二光束的路径中。在步骤1706，控制第一和第二快门元件使得第一和第二快门元件中的一个处于打开状态而另一个处于关闭状态，反之亦然。
[0108]
该方法还可以包括将第一棱镜元件设置在第一光束的路径中，使得第一光束在入射到分束器元件的第一面之前被偏转。
[0109]
该方法还可以包括将第二棱镜元件设置在第二光束的路径中，使得第二光束在入射到分束器元件的第二面之前被折射。
[0110]
分束器元件可以被配置为相对于摄像头的入射透镜成一定角度设置。
[0111]
该方法还可以包括在摄像头上设置一个或多个另外的分束器元件，其中每个另外的分束器元件被配置为使得分别入射在该另外的分束器元件的第一面和第二面上的第二光束和另外的光束可指向摄像头的入射透镜；提供一个或多个另外的快门元件，其中每个另外的快门元件设置在另外的光束的路径中；并且控制第一、第二和一个或多个另外的快门元件，使得第一、第二和一个或多个另外的快门元件中的一个或多个处于打开状态而至少另一个处于关闭状态，反之亦然。
[0112]
可以在平行于摄像头的入射透镜的平面的方向上邻近分束器元件设置第一另外的分束器元件。分束器元件和第一另外的分束器元件可以整体地实施为三个或更多个互连的棱镜。该方法可以包括控制第一、第二和第一另外的快门元件，使得第一、第二和第一另外的快门元件中的两个处于打开状态而其余的处于关闭状态，反之亦然。剩余的快门元件可以设置在三个互连的棱镜中的中间的一个。三个相互连接的棱镜中的中间的一个可以包括与分束器元件的第二面相对的平坦底面，并且设置在摄像头上，平坦底面面向摄像头的倾斜部。
[0113]
一个或多个第二另外的分束器元件可以在垂直于摄像头的入射透镜的平面的方向上设置在分束器元件上方。一个或多个第二另外的分束器元件可以相对于分束器元件和/或彼此处于旋转定向。至少分束器元件可以被配置为使得来自第一面和第二面的相应
视场具有期望的相对取向。至少分束器元件可以被配置为使得来自第一面和第二面的相应视场基本上是连续的。至少分束器元件可以被配置为使得来自第一面和第二面的相应视场具有期望的角间距。
[0114]
该方法可以包括提供两组或更多组，每组包括分束器元件以及第一和第二快门元件，相应组的分束器元件被配置为设置在相应的摄像头上。该方法可以包括控制每组的第一和第二快门元件，使得第一组的第一和第二快门元件中的一个处于打开状态而另一个处于关闭状态，并且当第二组的第一和第二快门元件中的一个处于打开状态时另一个处于关闭状态。
[0115]
至少分束器元件可以包括立方体分束器。
[0116]
至少分束器元件可以包括非立方体分束器。
[0117]
分束器元件可以被配置为相对于摄像头的入射透镜可旋转。
[0118]
在此描述的系统和方法的方面，例如但不限于，在所描述的示例实施例中用于快门和/或图像记录和显示的控制单元，可以被实现为被编程到多种电路中的任何一种功能，包括可编程逻辑器件(pld)，例如现场可编程门阵列(fpga)、可编程阵列逻辑(pal)器件、电可编程逻辑和存储器件以及基于标准单元的器件，以及专用集成电路(asic).用于实现系统方面的一些其他可能性包括：具有存储器的微控制器(例如电可擦除可编程只读存储器(eeprom))、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统的方面可以体现在具有软件的微处理器中基于电路仿真、离散逻辑(顺序和组合)、定制设备、模糊(神经)逻辑、量子设备以及上述任何设备类型的混合。当然，底层器件技术可以以各种组件类型提供，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)技术，如互补金属氧化物半导体(cmos)，双极性技术，如发射极耦合逻辑(ecl)、聚合物技术(如硅共轭聚合物和金属共轭聚合物
‑
金属结构)、模拟和数字混合等。
[0119]
以上描述的系统和方法的图示实施例并非旨在穷举或将系统和方法限制为所公开的精确形式。虽然本文为了说明的目的描述了系统组件和方法的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在系统、组件和方法的范围内各种等效修改是可能的。此处提供的系统和方法的教导可以应用于其他处理系统和方法，而不仅限于上述系统和方法。
[0120]
可以组合上述各种实施例的要素和动作以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对系统和方法进行这些和其他改变。
[0121]
一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将系统和方法限制在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括在权利要求下操作的所有处理系统。因此，系统和方法不受本公开的限制，而是系统和方法的范围完全由权利要求确定。
[0122]
除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应被解释为包含性意义，而不是排他性或穷尽性意义；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。使用单数或复数的词也分别包括复数或单数。此外，“此处”、“下文”、“以上”、“以下”以及类似含义的词语是指本技术的整体，而不是本技术的任何特定部分。当“或”一词用于指代两个或多个项目的列表时，该词涵盖该词的以下所有解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中的项目的任何组合。