CN102866498B - 摄像装置设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大景深的摄像装置设计方法。该摄像装置使用焦距恒定的镜头，所述镜头在进行初始设计时，通过采用其以后的实际工作环境所要求的调焦物距处的物平面作为基准物平面来进行镜头光学系统的参数设计。该方法根据镜头所配成像器件的像面尺寸以及所需观察的视场范围确定镜头的焦距，然后根据所需观察的深度范围确定调焦物距，最后按照所选定的调焦物距值选定基准物平面，根据该基准物平面对镜头进行光学系统的参数优化设计。利用这种方法设计出来的摄像装置，不需要插入额外元件就能够增大景深，并且无需调焦、成本低廉。

Description

摄像装置设计方法

本申请为申请号为201010117209.8、申请日为2010年02月20日、最早优先权日为2010年02月12日、发明名称为“摄像装置及其设计方法”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种摄像装置，尤其涉及大景深的无需调焦的摄像装置。本发明还涉及这种大景深摄像装置的设计方法。

背景技术

当今社会中，各种摄像装置已经广泛地深入到人类生活的各个角落，诸如银行、宾馆和楼宇中的监控摄像头，监控道路安全的摄像头，电影拍摄中所用的摄影机，手持的照相机。长久以来，这些摄像装置均受到景深不足这个问题的困扰。景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿着成像器轴线所测定的能够取得清晰图像的物体距离范围。由于传统的摄像镜头的景深都比较小，无法保证近景和远景同时清晰。如图1所示，该照片是利用传统的变焦摄像镜头（型号为“美电贝尔BL0416F”）拍摄的照片，由于镜头的景深较小，当调焦至中远距离时，中远距离处的景物较清楚，但是没有位于调焦点上的离镜头较近的名片却很不清楚。

在安防和监控领域中，由于摄像头是自动进行拍摄，无法预先知道所关注的事物（比如犯罪嫌疑人的面部）将出现在距离摄像头多远的位置，因此只能将对焦点（即调焦点）设置在某一固定位置处，而不能同时实现对预定的监控范围内的所有位置的覆盖。一旦所关注的事物偏离对焦点较远，景深比较小的传统摄像头就无法对所关注的事物清晰成像。这样，当公安机关在案发后调出当时的监控录像时，经常会发现犯罪嫌疑人的面部模糊难以辨别，从而给案件侦破造成了极大的困难。为了解决上述问题，日本研制了一种镜头，其按距离远近将监控范围分为多个区域，由步进电机带动镜头对每个区域进行快速循环扫描，最后将各个区域的影像拼接起来，该方法虽然能增加景深，但是严格来说，这种做法并不是同时获得整个监控范围的影像，而且步进电机持续运转会给整个机构带来机械损耗，大大缩短了镜头的工作寿命。

在电影的拍摄过程中也会遇到景深问题的困扰，在拍摄一些中近距离的场面时，通常我们会发现远景都很模糊，为了扩大景深，通常的做法就是采用多个镜头拍摄，最后在剪辑时将近景和远景图像进行拼接，或者就是采用透镜数很多、笨重昂贵的光学镜头进行拍摄，但这样操作复杂，成本也随之提高。

中国专利申请公布说明书CN1949024A公开了一种无衍射光大景深成像光学系统，其将一个圆锥透镜插在像平面和普通成像系统之间，光束经圆锥透镜变换成近似无衍射光，近似无衍射光在沿光轴任一位置处的屏面上的投影都是一个同样大小的同心环衍射斑，其中心焦斑的直径基本由圆锥透镜的锥角决定，不存在普通成像系统的在不同位置处焦斑大小会变化的离焦模糊问题，达到了增加景深的目的。但是其采用的圆锥透镜是一种需要特殊加工的透镜，其锥角需要经过涉及到诸如贝塞尔函数的复杂计算和设计，成本较高。

中国专利申请公布说明书CN101046547A公开了一种大景深数码望远镜系统，其通过在光学成像系统中插入了一片厚度随x,y坐标变化的孔径调制片来增加景深，其也存在计算和设计复杂、成本较高的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于全新设计理念、无需调焦的大景深摄像系统，以及该系统的设计方法。从而解决现有技术中存在的需要插入额外元件、设计复杂、工作寿命短、成本较高和设备笨重这些技术问题。

本发明的设计原理是：

1.采用定焦镜头而非变焦镜头。变焦镜头组由于其焦距范围较大，在每个焦距上变焦镜头既要保证各种像差、色差得到补偿，又要保证景深足够大，而每个焦距下摄像镜头的理想成像参数是不同的，无法同时达到，再加之实际的摄像系统还受到玻璃片数及结构尺寸等因素的限制，所以目前从技术上无法保证在每个焦距下都能得到理想的景深范围，尤其是对近景深有相当的欠缺。但是本发明采用了定焦镜头，这个问题就大大简化，从而得到了在固定焦距下比传统变焦镜头大得多的景深。

2．本发明采用的定焦镜头不同于以往的定焦镜头，其彻底改变了定焦镜头的传统光学设计理念，克服了长久以来的技术偏见，光学系统参数的初始设计时的基准物平面（调焦物平面）不再采用无穷远处的物平面，而是采用其将来所处的实际工作环境所要求的调焦物距处的物平面作为光学系统的参数初始设计时的基准物平面。传统定焦镜头都是按物平面在无限远进行光学系统设计的，从而得到镜头的表面形状、色散系数等参数。传统镜头，即便通过调整机构将它调焦在有限远的物平面处，它也必定没有完美的像质，因为它的初始光学设计基准在无穷远处，但实际的工作状态却是在有限远甚至很近的距离处，镜头的结构形状、色散系数等参数与在有限远处的成像条件匹配得不好，因此无法得到足够大的景深。但是本发明采用的定焦镜头按照基准物平面在实际工作时的调焦物距处进行初始的光学系统设计，故镜头的初始设计的参考物平面与它实际工作环境所要求的调焦物平面吻合，因此能使镜头景深最大程度地接近该调焦物距下的理想景深值。

为了解决所述的技术问题，本发明的基本方案是：

该摄像装置使用焦距恒定的镜头，所述镜头在进行初始设计时，通过采用其将来所处的实际工作环境所要求的调焦物距处的物平面作为基准物平面来进行镜头光学系统的参数设计，从而使得镜头最大程度地接近该调焦物距下的理想景深值。镜头包括一片或多片透镜，所述镜头的光学系统参数包括透镜的位置、厚度、表面的曲率半径、折射率和色散系数。

其使用焦距恒定的镜头，并通过选择镜头在实际工作时的调焦物距处的物平面作为基准物平面来进行镜头光学系统的参数的初始设计。

所述设计方法具体包括以下步骤：根据镜头所配成像器件的像面尺寸以及所需观察的视场范围确定镜头的焦距f＇；根据所需观察的深度范围确定调焦物距P；按照所选定的调焦物距值选定基准物平面，根据该基准物平面对镜头进行光学系统优化设计及镜头结构设计。

作为本发明的一项优选方案，所述镜头包括七块光学镜片，与入光方向垂直，按入光方向顺序排列连接为：第一透镜，其为双凸片；第二透镜，其为凹凸片；第三透镜，其为双凹片；第四透镜，其为凸凹片；第五透镜，其为双凸片；第六透镜，其为双凹片；第七透镜，其为双凸片。其中，第三透镜和第四透镜胶合在一起；第一透镜的前表面曲率半径为102.57mm，后表面曲率半径为15.24mm；第二透镜的前表面曲率半径为-20.05mm，后表面曲率半径为-55.21mm；第三透镜的前表面曲率半径为-30.2mm，后表面曲率半径为9.29mm；第四透镜的前表面曲率半径为9.29mm，后表面曲率半径为63.68mm；第五透镜的前表面曲率半径为8.166mm，后表面曲率半径为-2128mm；第六透镜的前表面曲率半径为-15.488mm，后表面曲率半径为7.345mm；第七透镜的前表面曲率半径为16.711mm，后表面曲率半径为-16.711mm。第一至第七透镜的厚度依次为3.5mm、3mm、2mm、3.5mm、2.8mm、1.2mm、2.5mm；第一至第七透镜的折射率依次为1.6221、1.6221、1.7883、1.7847、1.6921、1.6477、1.6921；第一至第七透镜的色散系数依次为56.71、56.71、47.39、25.76、54.54、33.87、54.54。

作为本发明的一项优选方案，所述摄像装置进一步包括成像器件。

作为本发明的一项优选方案，所述成像器件为CCD或CMOS感光元件。

作为本发明的一项优选方案，所述成像器件可以为CCD或CMOS摄像机，此时镜头采用即装即用的结构形式，只需将镜头接在CCD或CMOS摄像机上，摄像机对准被观察物，不用反复调整。

本发明提高了在特定观察场景下的景深范围，无需插入额外的元件、成本较低、设计简单、工作寿命长、设备轻便，同时本发明的镜头无需变焦，不容易出现诸如锁紧机构松动，调焦不准等问题，在视频监控方面，增大了有效的观察范围，实现了很好的监控效果。在电视电影的中、近景拍摄中，也可采用本发明这种轻便的镜头来获得良好的画面效果。

附图说明

图1是采用传统的变焦摄像头（美电贝尔BL0416F）拍摄的小景深的照片

图2是采用本发明的摄像系统拍摄的大景深的照片

图3是传统定焦摄像镜头的光学系统成像原理图

图4是本发明的定焦摄像镜头的光学系统成像原理图

图5是一种根据本发明的大景深设计方法制造的摄像装置

具体实施方式

本发明的摄像装置的设计方法包括以下三步：

1.根据镜头所配CCD摄像机的像面尺寸以及所需观察的视场范围确定镜头的焦距。焦距值f＇由下式确定：

$f^{\′}=\frac{\sqrt{H^2+W^2}}{4\·\tan \mathrm{\ω}}......\left(1\right)$

式中：H—CCD摄像机像面高度尺寸

W—CCD摄像机像面宽度尺寸

ω—所需的观察半视场角

2.根据所需观察的深度范围确定调焦物距P。

如图4所示，调焦点到镜头入瞳的距离为调焦物距P，与弥散圆共轭的远点到透镜入瞳的距离为景深远距P₁，与弥散圆共轭的近点到透镜入瞳的距离为P₂，调焦物距、景深远距和景深近距这三者满足景深公式（2）和（3）：

景深远距

景深近距 $P_2=\frac{{\mathrm{Pf}}^{\′2}}{f^{\′2}+\mathrm{\δPF}}......\left(3\right)$

景深 $\mathrm{\ΔL}=P_1-P_2=\frac{P_1}{\frac{f^{\′2}}{2\mathrm{\δ}{P}_{1}F}+1}$ 或 $\frac{P_2}{\frac{f^{\′2}}{2\mathrm{\δ}{P}_{2}F}-1}$ ……（4）

式中：f'—镜头的焦距

δ—镜头像面上允许的弥散圆直径

F—镜头的光圈值

由（4）式知光圈值F越大（即光圈越小），景深越大。但是减小光圈却是以减小光通量为代价，这样得到的影像比较暗淡，因此在实际设计时会选用合适小的光圈以增加景深。

由（2）式和（3）式可推出如下公式：

$P=\frac{P_1{f}^{\′2}}{f^{\′2}+{\mathrm{\δP}}_{1}F}......\left(5\right)$

和 $P=\frac{P_2{f}^{\′2}}{f^{\′2}-{\mathrm{\δP}}_{2}F}......\left(6\right)$

从公式（5）和（6）均可以计算得出调焦物距P，有时客户可能会首先提出一个景深范围，根据该范围的两个端值（即景深远距和景深近距）计算出来的两个P值可能会不同，我们会根据客户或者摄像头实际工作环境的需要，来确定是优先景深远距P₁还是景深近距P₂或者两者兼顾，在综合考虑景深ΔL=P₁-P₂的大小后，最后确定调焦物距P。

3.按照所选定的调焦物距值选定基准物平面，根据该基准物平面对镜头光学系统进行参数的优化设计，从而得到各个透镜的厚度、位置、表面的曲率半径、折射率、色散系数等参数，最后确定与镜头的光学系统的参数相适应的镜头机械结构。由于光学系统的参数的初始设计的参考物平面与它实际工作时的调焦物平面吻合，而且不需要考虑其他焦距情况，从而最终获得的景深能够最大程度的接近上述理论公式所计算出的理想景深。

<第一实施例>

图5示出根据本发明第一实施例的摄像装置。该大景深摄像装置由大景深摄像镜头1与1/2″、水平分辨率为480线的CCD摄像机2（不含透镜）组合而成。镜头1包括七片透镜，其中第3片和第4片透镜为胶合透镜，镜头1的焦距f'=5mm，视场角2ω=100°(水平80°,垂直57°)，镜头1的其余参数如表1

所示：

调焦点到镜头球面顶点的距离L为250mm，根据CCD的尺寸和分辨率可以算得CCD上的允许的弥散圆直径δ为0.02mm，光圈值F=5.9，入瞳位置l_Z=16.0mm。需将L换算成调焦点到镜头入瞳的调焦物距：

P=L+l_Z=250+16=266mm

表1

景深近距 $P_2=\frac{{\mathrm{Pf}}^{\&prime;2}}{f^{\&prime;2}+\mathrm{\&delta;PF}}=\frac{266\&times;5^2}{5^2+0.02\&times;266\&times;5.9}=117.9\mathrm{mm}$

该值为景深近点到镜头入瞳的距离，换算到镜头表面的距离L为：

L=P₂-l_Z=117.9-16=101.9mm

调焦物距P=266mm，而f＇²/δF=211.9mm，由公式（2）知景深远距P₁=∞。因此只要目标对镜头的张角足够大，理论上可以看到无限远。

由于本发明的镜头光学系统的参数的初始设计的参考物平面与它实际工作时的调焦物平面吻合，而且不需要考虑其他焦距情况，其最终获得的景深能够最大程度的接近上述理论公式所计算出的理想景深。而传统的摄像镜头却离理想景深相差较远。图1是采用传统的变焦摄像头拍摄的小景深的照片，由于镜头的景深较小，当调焦至中远距离时，中远距离处的福字和梯子等景物较清楚，但是没有位于调焦点上的离镜头较近（约100mm处）的名片却很不清楚。而图2是采用本发明的摄像系统拍摄的大景深的照片，可以看到，无论是中远距离处的福字和梯子等景物，还是离镜头约100mm处的名片，都很清楚。对本发明的镜头进行实际测量的结果为：当调焦物平面位置L为250mm时，近景深可达100mm，远景深可达20m。由此可见，本发明的摄像装置的观察效果远远超过了主流变焦镜头的观察效果。

本发明不限于上述实施例，上述实施例可以进行各种变形。例如，各透镜的曲率半径、面间隔及折射率值等，不限定于上述实施例所示的值，还可以取其他值。而且，本发明的特征尤其在于其设计方法，凡根据本发明的设计方法所制造的摄像镜头均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种摄像镜头的设计方法，其使用焦距f＇恒定的镜头，并通过选择位于镜头实际工作环境所要求的调焦物距P处的物平面作为基准物平面来进行镜头光学系统的参数的初始设计，所述调焦物距P为调焦点到镜头入瞳的距离，所述镜头光学系统的参数包括透镜的位置、厚度、表面的曲率半径、折射率和色散系数；其特征在于，包括以下步骤：

根据镜头所配成像器件的像面尺寸以及所需观察的视场范围确定镜头的焦距f＇；

根据所需观察的景深范围确定调焦物距P；

按照所选定的调焦物距值选定基准物平面，根据该基准物平面对镜头光学系统进行参数的优化设计，得到各个透镜的厚度、位置、表面的曲率半径、折射率、色散系数，然后确定与镜头的光学系统的参数相适应的镜头机械结构。

2.根据权利要求1所述摄像镜头的设计方法，其特征在于：所述焦距由下式决定，

$f^{\&prime;}=\frac{\sqrt{H^2+W^2}}{4\&CenterDot;\tan \mathrm{\&omega;}}$

其中，H为所述成像器件的像面高度尺寸，W为成像器件像面宽度尺寸，ω为所需的观察半视场角。

3.根据权利要求1所述摄像镜头的设计方法，其特征在于：所述调焦物距P根据景深近距或景深远距来决定，其数值分别由以下公式决定：

$P=\frac{P_2{f}^{\&prime;2}}{f^{\&prime;2}-{\mathrm{\&delta;P}}_{2}F}$ 或 $P=\frac{P_1{f}^{\&prime;2}}{f^{\&prime;2}-{\mathrm{\&delta;P}}_{1}F}$

其中，P₂为景深近距，P₁为景深远距，f＇为镜头的焦距，δ为镜头像面上允许的弥散圆直径，F为镜头的光圈值。

4.根据权利要求1所述摄像镜头的设计方法，其特征在于：所述镜头包括一片或多片透镜。

5.根据权利要求1所述摄像镜头的设计方法，其特征在于：所述成像器件为CCD或CMOS感光元件。

6.根据权利要求1所述摄像镜头的设计方法，其特征在于：所述成像器件为CCD或CMOS摄像机。

7.一种摄像镜头，其根据权利要求1-6中任一项所述摄像镜头的设计方法来制造。