CN102928967B - 具有像差校正防护罩的成像系统 - Google Patents

Abstract

一种具有像差校正防护罩的成像系统，包括：像差校正防护罩、内置成像系统，其特征在于：所述像差校正防护罩内表面和外表面均为非球面形状，所述内置成像系统依次包括：焦距为f1第一透镜，焦距为f2的第二透镜，用于承接图像的图像传感器芯片，第一透镜与第二透镜的使用材料的折射率为1.5至1.7，且该第一透镜满足关系式：-9＜f1/f＜-0.4，第二透镜满足关系式：1.2＜f2/f＜4.8；f为整个光学系统的焦距。

Description

具有像差校正防护罩的成像系统

技术领域

本发明涉及信息技术领域，具体涉及一种安全监控装置，特别是一种具有像差校正防护罩的成像系统。

背景技术

安全监控技术涉及生活生产的方方面面，例如：地铁、公路交通、宾馆、银行等。

现有技术中公开了一种监控成像系统的安装结构，包括成像系统挂座和成像系统，成像系统的顶部设置有一连接柱体，所述的成像系统挂座的一端为一个圆柱形的成像系统挂柱适配端，成像系统挂柱适配端的内部为一个可容纳所述连接柱体的空腔，所述的连接柱体设置有一穿孔。本新型安装简易，只需把位置对应好，利用连接柱体挤压弹性按钮，通过弹性按钮与封闭卡条之间的结构使封闭卡条弹出、穿过连接柱体的穿孔，使卡口与成像系统挂柱适配端之间的空隙封闭，随即把成像系统固定，当需要拆卸时，用较大压力移动成像系统带动连接柱体再次挤压弹性按钮，封闭卡条随即从穿孔收回，成像系统即可拆卸。

但是现有技术中的监控成像系统多数体积过大，安装不便、容易被人发现，破坏，而且受外部防护罩的影响，成像质量不高。另外难以兼顾体积和成像质量。

发明内容

为解决现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种具有像差校正防护罩的成像系统，能够解决现有技术中的诸多不足与缺陷，具有多方面的优点。

具体技术方案如下：

一种具有像差校正防护罩的成像系统，包括：像差校正防护罩、内置成像系统，其特征在于：所述像差校正防护罩内表面和外表面均为非球面形状，所述内置成像系统依次包括：焦距为f1第一透镜，焦距为f2的第二透镜，用于承接图像的图像传感器芯片，第一透镜与第二透镜的使用材料的折射率为1.5至1.7，且该第一透镜满足关系式：-9＜f1/f＜-0.4，第二透镜满足关系式：1.2＜f2/f＜4.8；f为整个光学系统的焦距。

作为本发明优选的实施例，在所述防护罩的表面涂设有正面反光反面透明的光学功能涂层。

作为本发明优选的实施例，还包括：枢转机构，所述内置成像系统安装在该枢转机构上。

作为本发明优选的实施例，所述图像传感器芯片具有与外部图像采集电路相连接的接口。

作为本发明优选的实施例，所述第一透镜的物方表面凸面，像方表面为凹面。

作为本发明优选的实施例，第二透镜物方表面为凹面，像方表面为凸面。

作为本发明优选的实施例，所述第一透镜和第二透镜至少一个表面为非球面。

作为本发明优选的实施例，在所述第一透镜和第二透镜的至少一个表面上形成二元衍射光学结构。

作为本发明优选的实施例，在所述第一透镜的物方表面上形成有二元衍射光学结构，以用于消除系统像差。

附图说明

图1A-1C是本发明具有像差校正防护罩的成像系统的结构示意图；

图2本发明的成像系统的结构示意图。

图3是图2所述的成像系统的光学结构示意图。

图4显示使用于根据图1A到1C的监视成像系统中的透明罩的厚度轮廓。

图5显示作为根据图4的实施例的视角的函数的透明罩的厚度轮廓。

图6显示根据图4的透明罩的厚度轮廓，以作为离对称轴的距离x的函数给出。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在图1A到1C中，描述了能被安装到天花板112的防破坏监视成像系统110的优选实施例。监视成像系统110包括下面将更详细描述的透明罩114。透明罩114包括内表面116和外表面118，内表面116和外表面118都具有根据下面详细描述的多项式函数的锥形形状。内表面116和外表面118都绕对称轴120旋转对称。因此，如上所述，在这个优选实施例中，外表面118的第一对称轴和内表面116的第二对称轴是相同的。另外，外表面118具有位于对称轴120上的第一顶点122。同样，内表面116包括第二顶点124，也位于对称轴120上。

另外，透明罩114包括环形安装面126，它在向上方向中止透明罩114。透明罩114可以通过这个环形安装面直接被安装到天花板112，或可例如包括监视成像系统110的电子部件和/或光学部件的附加安装块可以被安装在透明罩114和天花板112之间。另外，透明罩114可以被安装在是成像系统128的一部分的成像系统外壳上。成像系统128可使用单独的安装箱或安装块被安装到天花板112或壁上。

根据图1A到1C中的代表性实施例的监视成像系统110还包括成像系统128。该成像系统128在图1A到1C中仅仅象征性地绘出且包括透镜系统130和图像检测器132。如图1A到1C中所显示的成像系统128对于本领域技术人员是熟知的。

根据图1A到1C的成像系统128具有光轴134。成像系统128绕枢转点136可枢转地安装。对于光学计算和设计，枢转点136是起点。在图1A到1C中，枢转点136位于对称轴120上——不必一定是这种情况。成像系统128可以手动地或者使用机动定位系统绕枢转点136旋转。必须指出，成像系统128的光学部件不必按比例画出，这解释了在图1A和1B中的图像检测器132可位于天花板112中。另外，为了计算和考虑透明罩114的透镜像差，在光学设计中象征性地使用“理想”透镜系统130。对“真实”透镜系统130，图像检测器132通常在透明罩114的区域内，而不是天花板112内。

在图1A到1C中，显示了成像系统128的不同旋转位置。成像系统128的对称轴120和光轴134之间的角度用表示。根据定义，在图1A中，其中，成像系统128从天花板112笔直指向下，角度等于零。在图1B中，显示的是成像系统128在大约40°的角度的位置。在图1C中，显示所谓的“超出天花板视野”，在这种情况下，包括光轴134和对称轴120之间的95°的角度。使用根据图1A到1C的锥形形状的透明罩114的监视成像系统110的主要优点是可以获得角度≥90°的天花板视野，而没有主图像畸变或图像降质。

在图4中，显示了根据图1A到1C的监视成像系统110的透明罩114的优选实施例。透明罩114包括光学材料138，在这个代表性实施例中它由聚碳酸酯制成。作为另一种选择，可以使用PMMA或其他透明材料诸如透明塑料材料或玻璃等。

图4显示作为任意点和对称轴120之间距离x(以mm给出)的函数的几个曲线，在这个图中，对称轴120就是y轴。首先，在图4中，内表面116和外表面118被显示为距离x的函数。在根据图4的这个曲线中，y轴的原点被选择为与第一顶点122相同。沿对称轴120的光学材料138的厚度，即第一顶点122和第二顶点124之间的距离，被选择为3.20mm。容许大约多至0.2mm的偏差。

内表面116和外表面118以函数表达的形状通过使用市场上可买到的光学优化软件使遍及可见光谱和近红外光谱的光学畸变以及色彩幻象最小来优化。因此，对于本发明的这个优选实施例，外表面118被选择具有根据下面函数的理论形状：

o(x)＝0.011138137x²+6.454381·10^-7x⁴+3.5837465·10^-9x⁶-3.2059279·10^-12x⁸+1.6916882·10^-15x¹⁰-3.7017898·10^-19x¹²+2.8714374·10^-23x¹⁴(1)

同样，内表面116被选择具有根据下面函数的理论形状：

i(x)＝0.011913547x²+5.5535209·10^-7x⁴+5.7019309·10^-9x⁶-6.3174385·10^-12x⁸+4.1409087·10^-15x¹⁰-1.2425797·10^-18x¹²+1.5271156·10^-22x¹⁴+3.20(2)

然而，由于这些是理论函数，大约±0.05mm的函数值o(x)和/或i(x)的偏差估计是容许的，偏差最好是0.02mm，仍能带来容许的光学结果。

另外，在图4中，显示了在对称轴120上的枢转点136。根据图4，在这个优选的代表性实施例中，枢转点136被选择位于第一顶点122之上49.0mm的y轴位置。

另外各种观察方向在图4中通过虚拟的“观察射线”140显示。如在图1A到1C已提到的那样，这些射线140的每一个包括与对称轴120的角度这些观察射线140的每一个在各个点A射到光学材料138的内表面116。枢转点136和点A之间的距离取决于角度。

曲线142显示枢转点136和点A之间的间隔，即观察射线140的长度，是点A和对称轴120之间距离的函数，即是点A的x坐标的函数。可以看出，对于如图4中所显示的枢转点136的选择，曲线142显示出在对称轴120上即在x＝0处的相当平坦的最大值144。在大约x＝40mm处，对应于角度曲线142显示最小值。对于距离x＞40mm，曲线142快速上升。然而，对于大约多至95°的角度，枢转点136和内表面116之间的距离142的变化显示不超过15％到20％的变化。为了避免在成像系统128旋转过程中成像系统128和透明罩114碰撞，曲线142的最小值位置的知识对于成像系统128的外尺寸的机械设计是个重要因素。

在图5和6中，以两种不同模式显示了根据如图4中所示的优选实施例的透明罩140的光学材料138的厚度变化。因此，在图5中，厚度(y轴，以mm给出)被显示为对称轴120和图4中所显示的虚拟的观察射线140之间的角度的函数。这里，如图6中，厚度垂直于外表面118被测量。

在图6中，光学材料138的厚度(y轴，以mm给出)以外表面118上的测量点和对称轴120(曲线150)之间的距离的函数被给出。因此，图5中的曲线148和图6中的曲线150都描绘了在不同坐标系中的光学材料138的厚度。

另外，在图6中，光学材料138的内表面116和外表面118又以离对称轴120的距离x的函数来显示。右y轴(以mm给出)适用于曲线116和118。

从图5和图6可以看出，都表示光学材料138厚度的曲线148和150分别在或x＝0处显示最大值。分别在大约或x＝40mm处，厚度148、150显示最小值。如图5中所显示的，最小值和最大值之差Δ大约是0.27mm。因此，在这个代表性实施例中的总厚度变化是0.27mm除以3.20mm，大约对应于8.4％。如图5和图6中所显示的厚度变化是本发明一个重要特征、并有助于根据本发明的透明罩114的好的光学性能。厚度函数能从如公式(1)和(2)(见上文)所给出的外表面和内表面的函数计算出。

所述成像系统，具有如下结构特征：

请参阅图3所示为本发明图像感知模块的光学结构图。其从被摄物体方依序包括：具有负屈光度且凸向被摄物体的第一透镜10；孔径光闸20；具有正屈光度且凸向成像面呈半月型的第二透镜30；过滤特定波长的光线的过滤元件40，该过滤元件40可以是红外线截止过滤元件，用于可见光成像，或者是可见光截止过滤元件，用以过滤可见光，而通过的光线的波长为780至1050nm，应用于不可见光的红外线光成像；以及用以接收通过前述过滤元件红外线不可见光的成像，并将该成像转换成为数字信号的图像传感器50(成像面)，该图像传感器50包括平面保护透镜51与影像传感器52，该影像传感器52可以是电荷耦合元件(ChargeCoupledDevice，CCD)或互补式金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)。

前述第一透镜与第二透镜的使用材料的折射率为1.5至1.7，用以大角度折射入射光线，且该第一透镜10满足关系式：-9＜f1/f＜-0.4，第二透镜30满足关系式：1.2＜f2/f＜4.8；其中f1为第一透镜10的光学焦距，f2为第二透镜30的光学焦距，f为微型光学取像装置整个系统的焦距。

在所述第一透镜和第二透镜的表面至少一个表面上形成二元衍射光学结构，优选在第一透镜的物方表面设置有所述二元衍射光学结构，其目的在于有效地消除系统像差，提高成像质量。

该两片透镜构成的图像感知模块满足公式1.6＜L/f＜4.9，其中，L是从微型光学取像装置的光学总长，即第一透镜10面对被摄物体的表面到成像焦点的距离；f是微型光学取像装置整个系统的焦距。

该第一透镜10包含有面对被摄物体的第一面11及面对成像面的第二面12，所述第一面11为相对于被摄物体呈凸面构形的凸面，第二面12为相对于成像面呈凹陷构形的凹陷。该第二透镜30包含有面对被摄物体的第三面31及面对成像面的第四面32，所述第三面31为相对于被摄物体呈凹陷构形的凹陷，第四面32为相对于成像面呈凸面构形的凸面。且前述第一、二、三、四面11、12、31、32皆为非球面，藉此全面矫正球差及像差，并具有低公差敏感度的特性。

通过前述结构组合，被摄物体在经过二透镜而在该图像传感器50上的最大成像高度最大满足如下关系式：0.8＜d/f＜3，其中d为该图像传感器上的最大成像高度，f为微型光学取像装置整个系统的焦距。

实施上第一透镜10与第二透镜30为目前一般市面产品的圆形透镜形状(如图2所示)，也可以是圆形去掉两对称边而呈长条状劣弓形的透镜，可应用于不同外壳模型的光学镜头装置。

实施上，该第一透镜10为负透镜，其第一面11相对于被摄物体呈凸面构形，用以超广角的接受外在的入射光束，从而使光束在第二面12上，藉此可充分发挥非球面的功能，矫正像差及减低公差敏感度，也使的本装置具有超广角度，取像角度可达100°以上。再由该孔径光闸20取得所要的入射光束，入射光束再经过该第二透镜30上相对于被摄物体呈凹陷构形的凹陷的第三面31进行阔束，第四面32相对于成像面呈凸面构形的正透镜，使光束在第四面32上可分布较大的面积。也就是说，入射光束经过第三面31的阔束，从而使光束在第四面32上可分布较大的面积，而该第二透镜30的半月形构造可充分发挥非球面的功能，矫正像差及减低公差敏感度。

采用非球面设计除了可矫正球差及像差外还有助于缩短镜头光学系统的总长，且第一、二透镜片20、30均可采用塑料材质，有利于消除像差及减轻镜头重量，整个光学系统只用到两个塑料透镜，适合大量生产，且其公差敏感度低，加上景深的自由度(Depthoffield)够大，组合公差小于光学聚焦的可用的焦深范围，应用时不需进行调焦的动作，易于制造组立，符合大规模量产的要求。而用以过滤可见光，只通过红外线不可见光的过滤元件40，形成一种可对人体的热辐射进行取像的图像感知模块。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述使用方法的限制，上述使用方法和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种具有像差校正防护罩的成像系统，包括：像差校正防护罩、内置成像系统，其特征在于：所述像差校正防护罩内表面和外表面均为非球面形状，所述内置成像系统依次包括：焦距为f1第一透镜，焦距为f2的第二透镜，用于承接图像的图像传感器芯片，第一透镜与第二透镜的使用材料的折射率为1.5至1.7，且该第一透镜满足关系式：-9＜f1/f＜-0.4，第二透镜满足关系式：1.2＜f2/f＜4.8；f为整个光学系统的焦距；

其中，所述外表面具有满足如下函数的理论形状：o(x)＝0.011138137x²+6.454381·10^-7x⁴+3.5837465·10^-9x⁶-3.2059279·10^-12x⁸+1.6916882·10^-15x¹⁰-3.7017898·10^-19x¹²+2.8714374·10^-23x¹⁴；

其中，x表示所述外表面上的点到所述像差校正防护罩的对称轴的距离。

2.如权利要求1所述的具有像差校正防护罩的成像系统，在所述防护罩的表面涂设有正面反光反面透明的光学功能涂层。

3.如权利要求2所述的具有像差校正防护罩的成像系统，还包括：枢转机构，所述内置成像系统安装在该枢转机构上。

4.如权利要求1-3任意一项所述的具有像差校正防护罩的成像系统，所述图像传感器芯片具有与外部图像采集电路相连接的接口。

5.如权利要求1所述的具有像差校正防护罩的成像系统，所述第一透镜的物方表面凸面，像方表面为凹面。

6.如权利要求1所述的具有像差校正防护罩的成像系统，第二透镜物方表面为凹面，像方表面为凸面。

7.如权利要求1所述的具有像差校正防护罩的成像系统，所述第一透镜和第二透镜至少一个表面为非球面。

8.如权利要求1所述的具有像差校正防护罩的成像系统，在所述第一透镜和第二透镜的至少一个表面上形成二元衍射光学结构。

9.如权利要求1所述的具有像差校正防护罩的成像系统，在所述第一透镜的物方表面上形成有二元衍射光学结构，以用于消除系统像差。