CN107861242B - 具有多传感器的成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有多传感器的成像系统，包括：从物侧到像侧依次设置的第一镜片群、分束机构以及传感器组，其中：分束机构将第一镜片群输出的可见光进行分光得到红绿蓝三色并分别输出至三个独立沿光轴移动的传感器进行取像。本发明能够满足在低照环境下，通过此系统的光线可分为R、G、B等多色分别进入多个可移动传感器组中，可移动传感器组针对不同焦距、不同光线调节后焦位置，使其在1/3英寸及以上靶面尺寸的传感器上实现4M、8M甚至更高画质的成像。

Description

具有多传感器的成像系统
技术领域
本发明涉及的是一种光学器件领域的技术，具体是一种具有多传感器的成像系统。
背景技术
近些年，星光级彩色成像技术逐渐普及，利用新兴技术，实现可见光再低照环境下的成像也成为了安防镜头的新潮流。这种安防用镜头为了保证低照环境下的可见光成像质量，往往采用扩大光圈并更换高灵敏度和感光度传感器的方式。目前主流低照传感器靶面再1/1.8英寸，画面分辨率在4K以上。在这种情况下如果要做到Fno1.2以下的大光圈，势必要增加镜头镜片数量、必要时还会引入非球面，大大增加了镜头尺寸及整体成本。而且过大的光圈也会引入高次像差，使得成像质量难以达到4K水准。
发明内容
本发明针对现有技术通过多镜头或多传感器实现进光量提升的方案均具有拍摄画面不一致以及成像质量不高无法达到4K标准的缺陷，提出一种具有多传感器的成像系统，能够满足在低照环境下，通过此系统的光线可分为R、G、B等多色分别进入多个可移动传感器组中，可移动传感器组针对不同焦距、不同光线调节后焦位置，使其在1/2英寸及以上靶面尺寸的传感器上实现4M、8M甚至更高画质的成像。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：从物侧到像侧依次设置的第一镜片群、分束机构以及传感器组，其中：分束机构将镜片群输出的可见光进行分光得到红绿蓝三色并分别输出至三个独立沿光轴移动的传感器进行取像。
所述的第一镜片群内置具有负光焦度的第一镜片、具有负光焦度的第二镜片、具有正光焦度的第三镜片、光阑、具有负光焦度的第四胶合镜片，胶合面朝向物方、具有正光焦度的第五镜片、具有正光焦度的第六镜片。
所述的第六镜片优选可以设计为非球面，用来进一步提高成像质量。
所述的第一镜片群可以实现单独成像，靶面大小为1/1.8英寸，成像质量满足4K水准。
所述的分束机构包括：至少两个反射镜面的分光镜、分光棱镜或其组合。
所述的分束机构中优选设有光路补偿装置以保证其输出的红光、绿光、蓝光的总光程相等。
所述的三个独立沿光轴移动的传感器分别包括：用于滤除多余波长光波的取像滤光片、用于调整不同波长光波后焦的移动机构、用于驱动移动机构移动的驱动机构和图像传感器，其中：图像传感器设置于移动机构上并由驱动机构驱动轴向移动其与取像滤光片之间的距离。
技术效果
与现有技术相比，本发明对于可见光的进光量能做到单镜头单传感器的四倍左右，低照效果提升明显；同时每个传感器所接收的光波的范围都比较短从而提升了传感器的清晰度，经过后期图像的处理拼接，提升了镜头的整体清晰度；通过不同传感器接收不同波长范围的光波，使得累计接收的波长的范围就比单镜头单传感器系统宽，从而保证了画面色彩更加丰富，提升画面的饱和度；通过移动传感器组针对不同波长的光路进行移动，从而完成后焦调节，通过位置传感器获取当前移动机构的基准位置，实现不同光路同时聚焦清晰。光束通过成像系统后，可以在1/2英寸及以上靶面尺寸的传感器上实现4M、8M甚至更高画质的成像。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
图3为实施例3的结构示意图；
图4为实施例4的结构示意图；
图5、图6为移动传感器组的结构示意图；
图7为第一镜片群内部结构示意图；
图8为实施例1、2、4成像系统在RGB光权重比为1:1:1时的MTF图。
图9为实施例3成像系统在RGB光权重比为1:1:1时的MTF图。
图中：第一镜片群G1、第一镜片L1、第二镜片L2、第三镜片L3、光阑STP、第四胶合镜片镜片L4、第五镜片L5、第六镜片L6、理想像面IMAGE、第一分光装置S1、第二分光装置S2、补偿棱镜L、第一移动传感器组IMG1、第二移动传感器组IMG2、第三移动传感器组IMG3、取像滤光片1、移动机构2、驱动机构3、图像传感器4、位置传感器21、移动框22、导轴23、驱动电机31、支架32。
具体实施方式
实施例1
如图1、图5、图6、图7、图8所示，本实施例包括：从物侧到像侧依次设置的用于成像的第一镜片群G1、用于分离R、G、B可见光的第一分光棱镜S1、第二分光棱镜S2、用于补偿光程差的补偿棱镜L、用于接收光线和补偿后焦的第一移动传感器组IMG1、第二移动传感器组IMG2、第三移动传感器组IMG3。
如图1所示，物方的光线经过第一镜片群后G1，由第一分光棱镜S1将可见光中的红光(波长为700nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)与其他波长光分离，红光偏折后经由补偿棱镜L后，进入第一移动传感器组IMG1，其余波长的可见光透过第一分光棱镜S1，进入第二分光棱镜S2；第二分光棱镜S2将可见光中的绿光(波长为546.1nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)与其他波长光分离，绿光偏折后进入第二移动传感器组IMG2；其余波长的可见光透过第二分光棱镜S2，使蓝光(波长为435.8nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)进入第三移动传感器组IMG3。
如图7所示，所述的第一镜片群G1内置具有负光焦度的第一镜片L1、具有负光焦度的第二镜片L2、具有正光焦度的第三镜片L3、光阑STP、具有负光焦度的第四胶合镜片L4，胶合面朝向物方、具有正光焦度的第五镜片L5、具有正光焦度的第六镜片L6。
所述的第一镜片群可以实现单独成像，靶面大小为1/1.8英寸，成像质量满足4K水准，其镜头结构参数具体如下
表面序号 表面类型 曲率半径 厚度 阿贝数
物面
D1 球面 -33.850 0.80 68.8
D2 球面 11.074 4.96
D3 球面 -17.474 1.92 21.3
D4 球面 134.488 0.75
D5 球面 13.877 4.58 21.3
D6 球面 -36.653 3.96
光阑 平面 无限 0.10
D8 球面 130.969 2.80 69.1
D9 球面 -7.270 0.80 24.3
D10 球面 177.679 1.04
D11 球面 -16.638 2.17 47.7
D12 球面 -10.541 0.10
D13 球面 17.147 2.30 50
D14 球面 -226.326 23.20
像面
所述的镜片群G1满足光学后焦大于10mm，使得镜头后方留有足够的距离用来加入分光棱镜、补偿棱镜。如果小于此值，则会导致分光棱镜过小，难以匹配成像。
所述的第一分光棱镜S1、第二分光棱镜S2和补偿棱镜L满足大小、材质完全相同。并且棱长大于第一镜片群最后一片镜片L6后表面的有效径，使光线可以全部进入分光装置中。在本实施例中，第一分光棱镜S1、第二分光棱镜S2和补偿棱镜L的棱长均为10mm。
所述的第一分光棱镜S1、第二分光棱镜S2和补偿棱镜L的光学材料为BK7_SCHOTT，阿贝数为64.1。
所述的光学系统中，红光、绿光、蓝光在不同路径的总光程长度相同，即LG＝LB＝LR，其中：LG为绿光的总光程、LB为蓝光的总光程、LR为红光的总光程。
如图5所示，所述的移动传感器分别包括：滤除多余波长光波的取像滤光片1、用于调整不同波长光波后焦的移动机构2、用于驱动移动机构移动的驱动机构3和图像传感器4，其中：图像传感器4设置于移动机构2上并由驱动机构3驱动轴向移动其与滤光片1之间的距离。
如图6所示，所述的移动机构2包括：内置初始基准位置的位置传感器21、移动框22和导轴23，其中：移动框22穿过导轴23活动连接并与驱动机构3的输出端相连，位置传感器21固定设置且正对移动框22。
所述的驱动机构3包括：驱动电机31以及与移动框22相连的支架32。
所述的滤光片1固定在移动传感器组的最前方。
所述的驱动机构3内的支架32与移动机构2内的移动框22固定。在通电的情况下，驱动电机31带动支架32沿导轴23方向做往返运动，从而带动移动机构2在光轴方向往返调焦。
所述的位置传感器21的两头分别固定在移动框22和驱动电机31上。通过计算机模拟计算可得到移动传感器的初始位置参数，从而使移动机构2通过驱动机构3进行运动时，能够准确定位。
所述的图像传感器4固定在移动框22上。
在通电的情况下，驱动电机31带动支架32沿导轴23方向做往返运动，从而带动移动机构2在光轴方向往返调焦，位置传感器21的两头分别固定在移动框22和驱动电机31上。通过计算机模拟计算可得到移动传感器的初始位置参数，从而使移动机构2通过驱动机构3进行运动时，能够准确定位。
经过本系统的光线经过第一分光棱镜S1和第二分光棱镜S2后分成R、G、B三个不同波长范围的波长，经过移动传感器组内部机构的配合调节，分别清晰的成像在对应的三个传感器上，最终通过图像处理与拼接后实现图像的整合输出，这样不仅提高了光学系统的清晰度，增加了图片色彩的饱和度而且保证在低照情况下依旧可以清晰成像。
本系统的最终成像结果如图8所示，当RGB光权重比为1:1:1时，系统在30lp/mm、60lp/mm、125lp/mm、250lp/mm的MTF性能优异，在1/1.8英寸的靶面大小的传感器上，可以实现4K成像。
实施例2
如图2、图5、图6、图7、图8所示，本实施例包括：从物侧到像侧依次设置的用于成像的第一镜片群G1、用于分离R、G、B可见光的第一分光镜S1、第二分光镜S2、用于接收光线的第一移动传感器组IMG1、第二移动传感器组IMG2、第三移动传感器组IMG3。
所述的光学系统，物方的光线经过第一镜片群G1后，由第一分光镜S1将可见光中的红光(波长为700nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)与其他波长光分离，红光偏折后进入第一移动传感器组IMG1，其余波长的可见光透过第一分光镜S1，进入第二分光镜S2；第二分光镜S2将可见光中的绿光(波长为546.1nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)与其他波长光分离，绿光偏折后进入第二移动传感器组IMG2；其余波长的可见光透过第二分棱镜S2，使蓝光(波长为435.8nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)进入第三移动传感器组IMG3。
如图7所示，所述的第一镜片群G1内置具有负光焦度的第一镜片L1、具有负光焦度的第二镜片L2、具有正光焦度的第三镜片L3、光阑STP、具有负光焦度的第四胶合镜片L4，胶合面朝向物方、具有正光焦度的第五镜片L5、具有正光焦度的第六镜片L6。
所述的第一镜片群可以实现单独成像，靶面大小为1/1.8英寸，成像质量满足4K水准，其镜头结构参数具体如下
所述的第一镜片群G1满足光学后焦大于10mm，使得镜头后方留有足够的距离用来加入分光镜。如果小于此值，则会导致分光镜过小，难以匹配成像。
所述的第一分光镜S1、第二分光镜S2满足大小、材质完全相同。并且分光镜外切圆直径大于第一镜片群最后一片镜片后表面L6的有效径，使光线可以全部进入分光装置中。在本实施例中，第一分光镜S1、第二分光镜S2的外切圆直径为14mm。
所述的第一分光镜S1、第二分光镜S2的光学材料为BK7_SCHOTT，阿贝数为64.1。
所述的光学系统中，红光、绿光、蓝光在不同路径的总光程长度相同。
经过本系统的光线经过第一分光镜S1和第二分光镜S2后分成R、G、B三个不同波长范围的波长，经过移动传感器组内部机构的配合调节，分别清晰的成像在对应的三个传感器上，最终通过图像处理与拼接后实现图像的整合输出，这样不仅提高了光学系统的清晰度，增加了图片色彩的饱和度而且保证在低照情况下依旧可以清晰成像。
本系统的最终成像结果如图8所示，当RGB光权重比为1:1:1时，系统在30lp/mm、60lp/mm、125lp/mm、250lp/mm的MTF性能优异，在1/1.8英寸的靶面大小的传感器上，可以实现4K成像。
实施例3
如图3、图5、图6、图7、图9所示，本实施例包括：从物侧到像侧依次设置的用于成像的第一镜片群G1、用于分离R、G、B可见光的分光X棱镜S1、用于接收光线的第一移动传感器组IMG1、第二移动传感器组IMG2、第三移动传感器组IMG3。
所述的光学系统，物方的光线经过第一镜片群后，由分光X棱镜S1将可见光中的红光(波长为700nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)蓝光(波长为435.8nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)与绿光(波长为546.1nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)分离，红光向右偏折后进入第一移动传感器组IMG1，蓝光向左偏折后进入第二移动传感器组IMG2，绿光通过分光X棱镜S1后进入第三移动传感器组IMG3。
如图7所示，所述的第一镜片群G1内置具有正光焦度的第一镜片L1、具有负光焦度的第一镜片L1、具有负光焦度的第二镜片L2、具有正光焦度的第三镜片L3、光阑STP、具有负光焦度的第四胶合镜片L4，胶合面朝向物方、具有正光焦度的第五镜片L5、具有正光焦度的第六非球面镜片L6。
本实施例相较于实施例1、2加入非球面镜片，因此第一镜片群可以实现单独成像，靶面大小为1/1.8英寸，成像质量满足12M水准，其镜头结构参数具体如下
表面序号 表面类型 曲率半径 厚度 阿贝数
物面
D1 球面 -33.850 0.80 68.8
D2 球面 11.074 4.96
D3 球面 -17.474 1.92 21.3
D4 球面 134.488 0.75
D5 球面 13.877 4.58 21.3
D6 球面 -36.653 3.96
光阑 平面 无限 0.10
D8 球面 130.969 2.80 69.1
D9 球面 -7.270 0.80 24.3
D10 球面 177.679 1.04
D11 球面 -16.638 2.17 47.7
D12 球面 -10.541 0.10
D13 非球面 17.350 2.35 49.7
D14 非球面 -213.476 23.20
像面
实施例3镜头非球面系数具体如下：
所述的第一镜片群G1满足光学后焦大于5mm，使得镜头后方留有足够的距离用来加入分光X棱镜。如果小于此值，则会导致分光棱镜过小，难以匹配成像。与实施例1、2相比，因本实施例只使用1个X棱镜，因此对于镜头后焦要求更低，从而有更充足的裕度空间可以提升整体性能，使本实施例最终像素可以超过4K达到12M水平。
所述的分光X棱镜S1由4块直角等腰棱镜胶合而成，在胶合面镀有二向色分光膜。
所述的分光X镜S1的棱长大于第一镜片群最后一片镜片L6后表面的有效径，使光线可以全部进入分光装置中。在本实施例中，分光X镜的棱长为8mm。
所述的分光X镜S1的光学材料为BK7_SCHOTT，阿贝数为64.1。
所述的光学系统中，红光、绿光、蓝光在不同路径的总光程长度相同。
经过本系统的光线经过分光X棱镜S1后分成R、G、B三个不同波长范围的波长，经过移动传感器组内部机构的配合调节，分别清晰的成像在对应的三个传感器上，最终通过图像处理与拼接后实现图像的整合输出，这样不仅提高了光学系统的清晰度，增加了图片色彩的饱和度而且保证在低照情况下依旧可以清晰成像。
本系统的最终成像结果如图9所示，当RGB光权重比为1:1:1时，系统在30lp/mm、60lp/mm、125lp/mm、250lp/mm的MTF性能优异，在1/1.8英寸的靶面大小的传感器上，可以实现12M成像。
实施例4
如图4、图5、图6、图7、图8所示，本实施例包括：从物侧到像侧依次设置的用于成像的第一镜片群G1、用于分离R、G、B可见光的第一分光棱镜S1、第二分光棱镜S2、补偿棱镜L、用于接收光线和补偿后焦的第一移动传感器组IMG1、第二移动传感器组IMG2、第三移动传感器组IMG3。
所述的光学系统如图4所示，物方的光线经过第一镜片群后，由第一分光棱镜S1将可见光中的红光(波长为700nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)与其他波长光分离，红光在第一分光棱镜S1内偏折2次后进入第一移动传感器组IMG1，其余波长的可见光透过第一分光棱镜S1，进入第二分光棱镜S2；第二分光棱镜S2将可见光中的蓝光(波长为435.8nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)与其他波长光分离，蓝光偏折1次后进入第二移动传感器组IMG2；其余波长的可见光透过第二分光棱镜S2进入补偿棱镜L，光线通过补偿棱镜L后，绿光(波长为546.1nm±10nm，具体由分光膜层的特性决定)进入第三移动传感器组IMG3。
如图7所示，所述的第一镜片群G1内置具有负光焦度的第一镜片L1、具有负光焦度的第二镜片L2、具有正光焦度的第三镜片L3、光阑STP、具有负光焦度的第四胶合镜片L4，胶合面朝向物方、具有正光焦度的第五镜片L5、具有正光焦度的第六镜片L6。
所述的第一镜片群可以实现单独成像，靶面大小为1/1.8英寸，成像质量满足4K水准，其镜头结构参数具体如下
所述的第一镜片群G1满足光学后焦大于10mm，使得镜头后方留有足够的距离用来加入分光棱镜、补偿棱镜。如果小于此值，则会导致分光棱镜过小，难以匹配成像。
所述的第一分光棱镜S1为三角棱柱，所述的第二分光棱镜S2为四角棱柱，所述的补偿棱镜L为四角棱柱。本实施例的分光装置区别于实施例1、2、3的分光，R、G、B光路在棱镜内存在多次反射，并且部分可移动传感器组的空间角度位置随棱镜的形状改变而变化，虽然在机构固定与组装设计时会麻烦一些，但整体所需空间相较于实施例1、2有明显缩减，可以显著减少镜头体积。
第一分光棱镜S1与第一镜片群最近一边的棱长需大于第一镜片群最后一片镜片L6后表面的有效径，使光线可以全部进入分光装置中。
所述第一分光棱镜S1、第二分光棱镜S1、补偿棱镜L的光学材料均为BK7_SCHOTT，阿贝数为64.1。
所述的光学系统中，红光、绿光、蓝光在不同路径的总光程长度相同。
经过本系统的光线经过第一分光棱镜S1和第二分光棱镜S2后分成R、G、B三个不同波长范围的波长，经过移动传感器组内部机构的配合调节，分别清晰的成像在对应的三个传感器上，最终通过图像处理与拼接后实现图像的整合输出，这样不仅提高了光学系统的清晰度，增加了图片色彩的饱和度而且保证在低照情况下依旧可以清晰成像。
本系统的最终成像结果如图8所示，当RGB光权重比为1:1:1时，系统在30lp/mm、60lp/mm、125lp/mm、250lp/mm的MTF性能优异，在1/1.8英寸的靶面大小的传感器上，可以实现4K成像。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种具有多传感器的成像系统，其特征在于，包括：从物侧到像侧依次设置的第一镜片群、分束机构以及传感器组，其中：第一镜片群从物侧到像侧依次设置：具有负光焦度的第一镜片、具有负光焦度的第二镜片、具有正光焦度的第三镜片、光阑、具有负光焦度的第四胶合镜片，胶合面凸向像方、具有正光焦度的第五镜片、具有正光焦度的第六镜片，该第一镜片群满足光学后焦大于10mm；
第一镜片厚度为0.8，阿贝数为68.8，物侧面为球面，曲率半径为-33.85，像侧面为球面，曲率半径为11.074，第一镜片的像侧面至第二镜片的物侧面的距离为4.96；
第二镜片厚度为1.92，阿贝数为21.3，物侧面为球面，曲率半径为-17.474，像侧面为球面，曲率半径为134.488，第二镜片的像侧面至第三镜片的物侧面的距离为0.75；
第三镜片厚度为4.58，阿贝数为21.3，物侧面为球面，曲率半径为13.877，像侧面为球面，曲率半径为-36.653，第三镜片的像侧面至光阑的距离为3.96；
光阑为平面，其厚度为0.1；
第四镜片物侧面至胶合面的距离为2.8，阿贝数为69.1，物侧面为球面，曲率半径为130.969，胶合面为球面，曲率半径为-7.27，胶合面至像侧面的距离为0.8，阿贝数为24.3；像侧面为球面，其曲率半径为177.679，第四镜片的像侧面至第五镜片的物侧面的距离为1.04；
第五镜片厚度为2.17，阿贝数为47.7，物侧面为球面，曲率半径为-16.638，像侧面为球面，曲率半径为-10.541，第五镜片的像侧面至第六镜片的物侧面的距离为0.1；
第六镜片厚度为2.3，阿贝数为50，物侧面为球面，其曲率半径为17.147，像侧面为球面，其曲率半径为-226.326，第六镜片的像侧面至成像面的距离为23.2；
分束机构将第一镜片群输出的可见光进行分光得到红绿蓝三色光并分别输出至三个独立沿光轴移动的传感器进行取像，各传感器分别包括：滤除多余波长光波的取像滤光片、用于调整不同波长光波后焦的移动机构、用于驱动移动机构移动的驱动机构和图像传感器，其中：图像传感器设置于移动机构上并由驱动机构驱动轴向移动其与取像滤光片之间的距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的分束机构包括：至少两个反射镜面的分光镜、分光棱镜或其组合。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征是，所述的分束机构中设有光路补偿装置以保证其输出的红光、绿光、蓝光的总光程相等。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征是，所述的分束机构采用以下任一一种实现：
①依次排列的第一分光棱镜和第二分光棱镜以及位于第一分光棱镜或第二分光棱镜的入射光路或出射 光路上的补偿棱镜；
②依次排列的第一分光镜和第二分光镜；
③分光X棱镜；
④依次排列的第一分光棱镜、第二分光棱镜和补偿棱镜。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征是，所述的三个独立沿光轴移动的传感器，对应设置于正对第一镜片群以及正对分光棱镜或分光镜的出射光路上。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的移动机构包括：内置初始基准位置的位置传感器、移动框和导轴，其中：移动框穿过导轴活动连接并与驱动机构的输出端相连，位置传感器固定设置且正对移动框，通过计算得到移动框的精确位置并与驱动机构实现闭环控制。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的驱动机构包括：驱动电机以及与移动框相连的支架。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的第六镜片的物侧面和像侧面均为球面。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的第六镜片的物侧面和像侧面均为非球面。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的第六镜片的物侧面的圆锥系数为0，四阶非球面系数为3.45e-04，六阶非球面系数为-5.67e-06，八阶非球面系数为1.75E-09，十阶非球面系数为2.21E-10；像侧面的圆锥系数为0，四阶非球面系数为1.14E-04，六阶非球面系数为-4.72E-06，八阶非球面系数为2.89E-08，十阶非球面系数为-1.67E-10。
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