CN105873383B - 一种摄像机球罩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摄像机球罩。所述摄像机球罩包括位于中心的球面部分(A)及与之连接的边缘部分(B)，所述边缘部分(B)的内表面和外表面为回转面，且其回转轴线平行于所述球面部分的回转轴线，所述内表面在从与所述球面部分连接处向远离所述球面部分的方向上，回转半径单调增大，所述边缘部分(B)的子午方向和弧矢方向的光焦度均与所述球面部分(A)相同。由于本发明将摄像机球罩边缘部分的子午方向和弧矢方向的光焦度设置成与球面部分的相同，因此光束通过球罩后，球罩的子午方向和弧矢方向的光束能够聚焦到同一点上，消除了现有技术中由于子午方向和弧矢方向未能聚焦到同一点所产生的像散，为获得清晰的成像提供有利条件。

Description

一种摄像机球罩

技术领域

本发明涉及光学成像领域，特别是涉及一种摄像机球罩及具有其的光学成像系统。

背景技术

透明球罩广泛应用于光学成像领域，主要为摄像机和镜头提供机械保护，同时需要具备优良的光学性能，以将对成像的不利影响减至最小。安防领域用的透明罩通常使用高性能的光学塑料制造。为了最大限度地利用内部空间，部分透明球罩会做成超半球的形状。

此种摄像机球罩通常采用注塑工艺制造。为了保证脱模性能，摄像机球罩不能做成完全的球面。通常将摄像机球罩的中心区域加工成球面，边缘区域加工成圆锥面。此类球罩的中心区域，为了保证良好的光学性能，内表面和外表面均采用同心球面；在球罩的边缘区域，内表面和外表面则都采用圆锥面。圆锥面和球面部分通过相切的方式连接，厚度保持均匀，从而具有加工简单，中心部分像质良好的特点。

但此类球罩的固有缺陷在于圆锥面因子午方向和弧矢方向的曲率不同，两个方向上的光焦度也随之产生差异，光束通过球罩后，其子午方向和弧矢方向的光束未聚焦在同一点上，使得成像出现模糊，产生显著像散，影响成像效果，在长焦距大口径的光学系统上尤为严重。因为存在像散的缺陷，摄像机球罩的应用场合受到很大限制。

另外一种技术是利用吹塑工艺，来制造完全是同心球面型的摄像机球罩。此种同心球面型的摄像机球罩具有一致的光焦度，因为子午和弧矢方向的曲率半径相同，避免了像散的产生，同时也不存在脱模的问题。但受吹塑工艺技术特点的限制，此种球罩的壁厚均匀度不佳，成像质量很差，难以满足高清成像光学系统的要求。

因此希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的一个或多个。

发明内容

术语解释

光焦度是指光学元件会聚或者发散光线的能力，通常为其焦距的倒数。

像散是光学成像像差的一种。光束通过光学元件后，其子午和弧矢方向的光束未聚焦在同一点上，使得成像出现模糊，此种像差称为像散。

子午方向在本文中特指回转几何体沿其母线的方向。

弧矢方向在本文中特指回转几何体沿旋转圆周的方向，弧矢方向垂直于子午方向和回转轴。

环形面是光学曲面的一种，形状相当于普通轮胎表面。环形面的重要特性为子午和弧矢方向具有不同的曲率半径。

本发明的目的在于提供一种摄像机球罩来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的一个或多个。

为实现上述目的，本发明提供一种摄像机球罩，所述摄像机球罩包括位于中心的球面部分及与之连接的边缘部分，所述边缘部分的内表面和外表面为回转面，且其回转轴线平行于所述球面部分的回转轴线，所述内表面在从与所述球面部分连接处向远离所述球面部分的方向上，回转半径单调增大，所述边缘部分的子午方向和弧矢方向的光焦度均与所述球面部分相同。需要指出的是，在本发明中，“相等”的含义包括“大致相等”，举例而言，在两个值的差与两者中较大值的比值的绝对值小于10％的情况下，认为是“相等的”。

优选地，所述边缘部分的内表面为圆锥面，该圆锥面与所述球面部分的内表面相切连接；所述边缘部分的外表面为环形面，该环形面与所述球面部分的外表面相切连接。

优选地，所述边缘部分的内表面为圆锥面，该圆锥面的母线相对于所述球面部分的内表面在连接部位处的切线向外旋转一个修正角度，其中所述修正角度大于0度且小于等于3度；所述边缘部分的外表面为环形面，该环形面与与所述球面部分的外表面相切连接。

优选地，所述环形面的子午方向的曲率等于所述圆锥面和所述环形面在弧矢方向的曲率之差。

优选地，所述圆锥面的母线和所述回转轴线的之间的夹角大于等于0.1度，小于等于30度。进一步优选地，小于等于15度。

优选地，所述边缘部分的内表面为环形面，该环形面与所述球面部分的内表面相切连接；所述边缘部分的外表面为圆锥面，该圆锥面与所述球面部分的外表面相切连接。

优选地，所述边缘部分的内表面为环形面，该环形面与所述球面部分的内表面相切连接；所述边缘部分的外表面为圆锥面，该圆锥面的母线相对于所述球面部分的外表面在连接部位处的切线向内旋转一个修正角度，其中所述修正角度大于0度且小于等于3度。

优选地，所述环形面的子午方向的曲率之差与所述环形面和所述圆锥面在弧矢方向的曲率之差相同。

优选地，所述边缘部分的内表面为第一环形面，该第一环形面与所述球面部分的内表面相切连接；所述边缘部分的外表面为第二环形面，该第二环形面与所述球面部分的外表面相切连接。

优选地，所述第一环形面和所述第二环形面在子午方向的曲率之差与两者在弧矢方向的曲率之差相同。

由于本发明将摄像机球罩边缘部分的子午方向和弧矢方向的光焦度设置成与球面部分的相同，因此光束通过球罩后，球罩的子午方向和弧矢方向的光束能够聚焦到同一点上，消除了现有技术中由于子午方向和弧矢方向未能聚焦到同一点所产生的像散，为获得清晰的成像提供有利条件。

本发明还提供一种光学成像系统，所述光学成像系统包括如上所述摄像机球罩。

附图说明

图1为本发明所提供摄像机球罩的结构示意图。

附图标记：

A	球面部分	B	边缘部分
				1	球面部分的内表面	2	球面部分的外表面

3	边缘部分的内表面	4	边缘部分的外表面
				O	回转轴

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

根据本发明的摄像机球罩包括位于中心的球面部分及与之连接的边缘部分。所述边缘部分的内表面和外表面为回转面，且其回转轴线平行于所述球面部分的回转轴线，所述内表面在从与所述球面部分连接处向远离所述球面部分的方向上，回转半径单调增大，所述边缘部分的子午方向和弧矢方向的光焦度均与所述球面部分相同。

由于本发明将摄像机球罩边缘部分的子午方向和弧矢方向的光焦度设置成与球面部分的相同，因此光束通过球罩后，球罩的子午方向和弧矢方向的光束能够聚焦到同一点上，消除了现有技术中由于子午方向和弧矢方向未能聚焦到同一点所产生的像散，为获得清晰的成像提供有利条件。

如图1所示，摄像机球罩(下文中简称为球罩)采用回转对称的结构形式，具有回转轴O。球罩包括中心区域和与之连接的边缘区域。中心区域由球面部分A形成，即内表面1和外表面2都采用球面，并且内表面1和外表面2的球心重合，即两球面同心，因此光束通过球面部分A后，球面部分A的子午方向和弧矢方向的光束能够聚焦到同一点上，无像散，成像清晰。边缘区域位于中心区域的外周，对应于边缘部分B。现有技术中球面部分A和边缘部分B在子午方向光焦度不相同，因此使得球罩在子午方向和弧矢方向的光束未能聚焦在同一点，而产生像散。

鉴于此，本发明将球面部分A和边缘部分B在子午方向和弧矢方向的光焦度均设置成相同或大致相同，以尽量避免现有技术的像散问题。

具体地，边缘部分B的子午方向的光焦度与球面部分A的子午方向的光焦度相同，边缘部分B的弧矢方向的光焦度与球面部分A的弧矢方向的光焦度相同。

因此，光束通过本发明所提供的球罩后，整个超半球结构的球罩的子午方向和弧矢方向的光束能够聚焦到同一点上，消除了现有技术中由于子午方向和弧矢方向未能聚焦到同一点所产生的像散，为获得清晰的成像提供有利条件。

上述“光焦度”指的是光学元件会聚或者发散光线的能力。光焦度的计算公式为:光焦度＝n’/f’＝(n’-n)*C，式中，n和n’分别是表面两侧的折射率(空气一侧为1)，C为表面的曲率，f’为焦距。也就是说，光焦度与表面两侧的折射率n、n’和表面的曲率C相关，由此，边缘部分B的光焦度的控制可以延伸出两方面的要求：

其一、通过将球面部分A和边缘部分B使用相同的制作材料，便可以满足球面部分A和边缘部分B的折射率相同的要求。

其二、通过控制球面部分A和边缘部分B的曲率，使边缘部分B的子午方向的光焦度与球面部分A的子午方向的光焦度相同，边缘部分B的弧矢方向的光焦度与球面部分A的弧矢方向的光焦度相同。而边缘部分B的子午方向的光焦度近似等于边缘部分B的内表面3和外表面4的子午方向的光焦度的叠加，边缘部分B的弧矢方向的光焦度近似等于边缘部分B的内表面3和外表面4的弧矢方向的光焦度的叠加。

在满足第一点的要求的基础上，再满足第二点，便可以实现球面部分A和边缘部分B在子午方向和弧矢方向的光焦度均相同。下面通过若干实施例来说明第二点的实现方式。

实施例1：

边缘部分B的内表面3采用圆锥面，该圆锥面与球面部分A的内表面1相切连接或者接近相切连接，从而可以在弧矢方向引入一定的曲率。边缘部分B的外表面4为环形面，该环形面与球面部分A的外表面2相切连接，环形面在子午方向和弧矢方向具有不同的曲率，从而可以在子午方向和弧矢方向均引入不同的曲率。通过将内表面3和外表面4组合起来，组合后的光焦度在子午方向和弧矢方向分别与球面部分A的光焦度一致，此时的球罩在光学特性上等效于一个超半球的球面面型的球罩，因此无论从球面部分A，还是边缘部分B，光束在子午方向和弧矢方向始终能够聚焦到同一点上，避免了像散的产生。

圆锥面(内表面3)的子午方向的曲率为零，弧矢方向的曲率为其回转半径的倒数；环形面(外表面4)的弧矢方向的曲率为其回转半径的倒数，子午方向的曲率接近圆锥面和环形面在弧矢方向的曲率之差。通过将圆锥面和环形面在子午方向和环形面的光焦度叠加后，可以看出，边缘部分B的光焦度则与球面部分A保持大致相同，即所述边缘部分的子午方向和弧矢方向的光焦度均与所述球面部分相同，从而较好地消除了像散。

边缘部分B的内表面3(圆锥面)与球面部分A的内表面1接近相切连接，是指该圆锥面的母线相对于所述球面部分A的内表面1在连接部位处的切线向外旋转一个修正角度。有利的是，所述修正角度大于0度且小于等于3度。例如，在一个实施例中，所述修正角度为0.2度。之所以设置上述的修正角度是出于下述考虑。

在实际应用时，对于圆锥面与球面部分A的内表面1相切连接的技术方案，检测到：水平方向主光线通过边缘部分B的内表面3和外表面4时，会产生大约0.03°左右的偏差。如果用在长焦距的光学成像系统上，该偏差对成像会产生一些不利的影响。通过设置所述修正夹角，可以补偿该偏差。由于内表面3是圆锥面，因此改变修正角度即是微量修正圆锥面的圆锥度。随着内表面3的圆锥度的变化，穿透边缘部分B的水平主光线偏角随之改变，当调节到某个特定较小的值时，边缘部分B的入射主光线和出射主光线保持平行。此时，修正夹角既不会影响球罩整体的光焦度和像散特性，同时又能补偿光线的轻微偏角，从而实现了优良的成像效果。

需要说明的是，一旦存在上述“修正夹角”，则上述圆锥面与球面部分A的内表面1之间无法完全相切，但是能够接近相切连接。

有利的是，所述圆锥面的母线和所述回转轴线的之间的夹角大于等于0.1度，小于等于30度，从而便于脱模。角度越大，在加工中越容易实现脱膜；但角度太大会导致边缘部分的口径增加过快，从而使得球罩的总体积过大。因此，优选的是，所述圆锥面的母线和所述回转轴线的之间的夹角小于等于15度。

实施例2：

边缘部分B的内表面3采用环形面，该环形面与球面部分A的内表面1相切连接，环形面在子午方向和弧矢方向具有不同的曲率，从而可以在子午方向和弧矢方向均引入不同的曲率。边缘部分B的外表面4为圆锥面，该圆锥面与球面部分A的外表面2相切连接或者接近相切连接，从而可以在弧矢方向引入一定的曲率。通过将内表面3和外表面4组合起来，组合后的光焦度在子午方向和弧矢方向分别与球面部分A的光焦度一致，此时的球罩在光学特性上等效于一个超半球的球面面型的球罩，因此无论从球面部分A，还是边缘部分B，光束在子午方向和弧矢方向始终能够聚焦到同一点上，避免了像散的产生。

环形面(内表面3)的子午方向的曲率接近环形面和圆锥面在弧矢方向的曲率之差，弧矢方向的曲率为其回转半径的倒数。圆锥面(外表面4)的子午方向的曲率为零，弧矢方向的曲率为其回转半径的倒数。通过将环形面和圆锥面在子午方向和环形面的光焦度叠加后，可以看出，边缘部分B的光焦度则与球面部分A保持相同，从而消除了像散。

边缘部分B的外表面4(圆锥面)与球面部分A的外表面2接近相切连接，是指该圆锥面的母线相对于所述球面部分A的外表面2在连接部位处的切线向内旋转一个修正角度。优选地，所述修正角度大于0度且小于等于3度。有利的是，所述修正角度大于0度且小于等于3度。例如，在一个实施例中，所述修正角度为0.2度。之所以设置上述的修正角度是出于下述考虑。

在实际应用时，对于圆锥面与球面部分A的外表面2相切连接的技术方案，水平方向主光线通过边缘部分B的内表面3和外表面4时，会产生大约0.03°左右的偏差。如果用在长焦距的光学成像系统上，该偏差对成像会产生一些不利的影响。设置上述修正夹角可以补偿该偏差。随着该修正夹角的变化，穿透边缘部分B的光线偏角随之改变，当调节到某个特定较小的值时，边缘部分B的入射主光线和出射主光线保持平行。此时，修正夹角既不会影响球罩整体的光焦度和像散特性，同时又能补偿光线的轻微偏角，从而实现了优良的成像效果。

需要说明的是，一旦存在上述“修正夹角”，则上述圆锥面与球面部分A的内表面1之间无法完全相切，但是能够接近相切连接。

实施例3：

边缘部分B的内表面3采用第一环形面，第一环形面与球面部分A的内表面1相切连接，第一环形面在子午方向和弧矢方向具有不同的曲率，从而可以在子午方向和弧矢方向均引入不同的曲率。边缘部分B的外表面4为第二环形面，该第二环形面与球面部分A的外表面2相切连接，从而也可以在子午方向和弧矢方向均引入不同的曲率。通过将内表面3和外表面4组合起来，组合后的光焦度在子午方向和弧矢方向分别与球面部分A的光焦度一致，此时的球罩在光学特性上等效于一个超半球的球面面型的球罩，因此无论从球面部分A，还是边缘部分B，光束在子午方向和弧矢方向始终能够聚焦到同一点上，避免了像散的产生。

第一环形面(内表面3)的弧矢方向的曲率为其回转半径的倒数，第二环形面(外表面4)的弧矢方向的曲率为其回转半径的倒数。第一环形面和第二环形面在子午方向的曲率之差接近两者在弧矢方向的曲率之差。通过将第一环形面和第二环形面在子午方向和环形面的光焦度叠加后，可以看出，边缘部分B的光焦度则与球面部分A保持相同，从而消除了像散。

实质上，边缘部分B的内表面3和外表面4还可以是其它形状的曲面。例如，内表面的母线由第一直线段及第一圆弧线组成，外表面的母线由第二圆弧线及第二直线段组成。再例如，内表面的母线由多段不同半径的圆弧线组成，外表面的母线也由不同半径的圆弧线组成。在此不再一一列举，只要保证内表面3和外表面4的总光焦度与球面部分A在子午方向和弧矢方向上分别相同即可。

上述提及的“主光线”指的是通过球罩的球心、且方向为水平的光线。

上述提及的“接近”的意思是近似或基本相等。

本发明还提供一种光学成像系统，其至少包括上述各实施例中的球罩，所述光学成像系统中的其它部分均为现有技术，在此不再展开描述。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种摄像机球罩，其包括位于中心的球面部分(A)及与之连接的边缘部分(B)，其特征在于：所述边缘部分(B)的内表面和外表面为回转面，且其回转轴线平行于所述球面部分的回转轴线，所述内表面在从与所述球面部分连接处向远离所述球面部分的方向上，回转半径单调增大，所述边缘部分(B)的子午方向和弧矢方向的光焦度均与所述球面部分(A)相同。

2.如权利要求1所述的摄像机球罩，其特征在于：所述边缘部分(B)的内表面(3)为圆锥面，该圆锥面与所述球面部分(A)的内表面(1)相切连接；所述边缘部分(B)的外表面(4)为环形面，该环形面与所述球面部分(A)的外表面(2)相切连接。

3.如权利要求1所述的摄像机球罩，其特征在于：所述边缘部分(B)的内表面(3)为圆锥面，该圆锥面的母线相对于所述球面部分(A)的内表面(1)在连接部位处的切线向外旋转一个修正角度，其中所述修正角度大于0度且小于等于3度；所述边缘部分(B)的外表面(4)为环形面，该环形面与与所述球面部分(A)的外表面(2)相切连接。

4.如权利要求2或3所述的摄像机球罩，其特征在于：所述环形面的子午方向的曲率等于所述圆锥面和所述环形面在弧矢方向的曲率之差。

5.如权利要求2或3所述的摄像机球罩，其特征在于：所述圆锥面的母线和所述回转轴线的之间的夹角大于等于0.1度，小于等于30度。

6.如权利要求1所述的摄像机球罩，其特征在于：所述边缘部分(B)的内表面(3)为环形面，该环形面与所述球面部分(A)的内表面(1)相切连接；所述边缘部分(B)的外表面(4)为圆锥面，该圆锥面与所述球面部分(A)的外表面(2)相切连接。

7.如权利要求6所述的摄像机球罩，其特征在于：所述边缘部分(B)的内表面(3)为环形面，该环形面与所述球面部分(A)的内表面(1)相切连接；所述边缘部分(B)的外表面(4)为圆锥面，该圆锥面的母线相对于所述球面部分(A)的外表面(2)在连接部位处的切线向内旋转一个修正角度，其中所述修正角度大于0度且小于等于3度。

8.如权利要求7所述的摄像机球罩，其特征在于：所述环形面的子午方向的曲率之差与所述环形面和所述圆锥面在弧矢方向的曲率之差相同。

9.如权利要求1所述的摄像机球罩，其特征在于：所述边缘部分(B)的内表面(3)为第一环形面，该第一环形面与所述球面部分(A)的内表面(1)相切连接；所述边缘部分(B)的外表面(4)为第二环形面，该第二环形面与所述球面部分(A)的外表面(2)相切连接。

10.如权利要求9所述的摄像机球罩，其特征在于：所述第一环形面和所述第二环形面在子午方向的曲率之差与两者在弧矢方向的曲率之差相同。