CN112379567A

CN112379567A - 一种光学成像系统

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Publication number: CN112379567A
Application number: CN202110052223.2A
Authority: CN
Inventors: 成一诺; 孙菲; 程爱明; 赵世杰
Original assignee: Beijing Jingwei Hirain Tech Co Ltd
Current assignee: Beijing Jingwei Hirain Tech Co Ltd
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2041-01-15
Also published as: CN112379567B

Abstract

本发明公开了一种光学成像系统，包括：位于外壳内部的处理模块、分别与处理模块连接的图像传感器、信号传输模块和电源模块、与图像传感器连接的镜头，以及用于封装外壳的遮光罩，所述光学成像系统还包括：发光模块、准直透镜、导光模块和发散透镜；其中，导光模块为空心结构，置于处理模块上，且与镜头同向设置，导光模块顶部延伸到遮光罩表面；准直透镜和发光模块均位于导光模块的内部，且准直透镜设置于发光模块的上方，用于将发光模块发出的光转化为平行光出射；发散透镜位于导光模块的顶部，并与遮光罩连接，用于将准直透镜出射的平行光进行发散后射出，以进行照明。通过采用上述技术方案，解决了镜头受杂散光干扰及照明不均匀的问题。

Description

一种光学成像系统

技术领域

本发明涉及光学领域，具体而言，涉及一种光学成像系统。

背景技术

近年来，随着智能驾驶技术的发展和汽车安全意识的提高，驾驶员检测系统（Driver Monitor System，DMS）技术随之发展。由于检测座舱内其他人的感知的进一步需求，目前DMS逐渐扩展为乘员监控系统（Occupancy Monitoring System，OMS）。通过乘员监控系统，系统可以确定是否有儿童遗留在车内。

目前的DMS摄像头采用黑白成像和红外发光二极管（Light Emitting Diode，LED）补光的组合方式来实现。首先是红外LED的光线传输方向不可控，在机加件表面发射的杂散光将会导致摄像头成像质量的下降，红外LED一部分能量照射到摄像头会导致摄像头的发烫问题。其次，由DMS扩展的OMS技术，摄像头视场角更大，红外LED的发散角度难以满足需求，并且根据红外LED的发光特性，随着LED光源发散角度增大，能量随着衰减，直接采用LED照明将造成照明边缘暗且不均匀的现象。

发明内容

本发明提供一种光学成像系统，解决了镜头受杂散光干扰及照明不均匀的问题。

本发明提供了一种光学成像系统，包括：位于外壳内部的处理模块、分别与所述处理模块连接的图像传感器、信号传输模块和电源模块、与所述图像传感器连接的镜头，以及用于封装所述外壳的遮光罩，所述光学成像系统还包括：发光模块、准直透镜、导光模块和发散透镜；其中，

所述发光模块，置于所述处理模块上，并与所述处理模块连接，用于在所述处理模块的驱动下发光；所述导光模块为空心结构，置于所述处理模块上，所述导光模块的顶部延伸到所述遮光罩表面；所述准直透镜和所述发光模块均位于所述导光模块的内部，且所述准直透镜设置于所述发光模块的上方，用于将所述发光模块发出的光转化为平行光出射；

所述发散透镜位于所述导光模块的顶部，并与所述遮光罩连接，用于将所述准直透镜出射的平行光进行发散后射出，以进行照明；

所述镜头，与所述导光模块同向设置，用于采集待拍摄图像反射的光信号数据，并通过所述图像传感器将所述光信号数据转换成电信号数据，所述处理模块用于对所述电信号数据进行处理，以得到采集的图像。

可选的，所述发散透镜为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜靠近所述准直透镜的光线入射面为凹面，所述菲涅尔透镜远离所述准直透镜的光线出射面为平面。

可选的，所述菲涅尔透镜直径和所述准直透镜的直径相同，且所述菲涅尔透镜的凹面为同心圆环结构。

可选的，所述同心圆环结构包括按口径半径三等分的三个环带，其中，每个环带区域的曲率半径为：预设环形区域的曲率半径的平均值；

其中，所述预设环形区域是将透镜半径按照三等分的形式划分后得到的区域，每个预设环形区域的曲率半径的变化状态及平均值，均通过所述发光模块的能量分布得到，所述透镜半径为所述准直透镜的半径。

可选的，所述发散透镜的出射面布设有增透膜。

可选的，所述遮光罩在所述发散透镜对应位置处开孔，所述发散透镜嵌入所述孔内。

可选的，所述导光模块为柱状结构，其内侧布设有反光膜。

可选的，所述准直透镜、所述导光模块和所述发散透镜一体成型。

可选的，所述发光模块为红外发光二极管。

可选的，所述发光模块、所述准直透镜、所述导光模块和所述发散透镜，均以镜头为对称轴的对称设置。

本发明实施例提供的技术方案，通过设置空心结构的导光模块，可将光线有效地限制在导光模块所限定的范围内。通过在导光模块内设置上下放置的准直透镜和发光模块，可实现发光模块照射的均匀性。通过在导光模块顶部设置发散透镜，并设置发散透镜采用锯齿结构表面，可使得照明角度可控，以实现大角度的均匀照明。

本发明实施例的创新点包括：

1、通过设置空心结构的导光模块，可将光线有效地限制在导光模块所限定的范围内，解决了镜头受杂散光干扰的问题，是本发明实施例的创新点之一。

2、通过在导光模块内设置上下放置的准直透镜和发光模块，可实现发光模块照射的均匀性，是本发明实施例的创新点之一。

3、通过在导光模块顶部设置发散透镜，并设置发散透镜采用锯齿结构表面，可使得照明角度可控，实现大角度的均匀照明，是本发明实施例的创新点之一。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对本发明或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例提供的一种光学成像系统的结构示意图；

图2为现有技术提供的一种光学成像系统的光路走向示意图。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。

需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语 “包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例公开了一种光学成像系统。以下分别进行详细说明。

图1为本发明一个实施例提供的一种光学成像系统的结构示意图，该光学成像系统既可解决DMS本身照明的问题，也可进一步扩展到OMS的使用过程中。利用该光学成像系统不仅可以监测驾驶员的驾驶疲劳情况，也可以用于座舱内乘员信息的检测，特别是儿童是否遗留在车内的判断。如图1所示，该光学成像系统包括：

位于外壳5内部的处理模块1，分别与处理模块1连接的图像传感器2、信号传输模块7和电源模块8、与图像传感器2连接的镜头3，以及用于封装外壳5的遮光罩6。此外，该光学成像系统还包括：由发光模块4、准直透镜9、导光模块10和发散透镜11组成的补光灯照明结构。

本实施例中，发光模块4，置于处理模块1上，并与处理模块1连接。处理模块1用于驱动发光模块4发光，以及驱动图像传感器2采集图像。该处理模块1的功能可基于PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）来实现。

本实施例中，图像传感器2具体可以为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件），也可以为CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体），本实施例对此不作具体限定。

本实施例中，发光模块4可以为红外LED，也可以为激光，本实施例对此不作具体限定。

本实施例中，外壳5的结构可以为长方体，也可为球体等其他形状，本实施例对此不作具体限定。

本实施例中，导光模块10优选为柱状结构，本实施例对此结构不作具体限定。

本实施例中，导光模块10为空心结构，并设置于处理模块1上，导光模块的顶部延伸到遮光罩6表面；

准直透镜9和发光模块4均位于导光模块10的内部，准直透镜9设置于发光模块4的上方，用于将发光模块4发出的光转化为平行光出射；

发散透镜11位于导光模块10的顶部，并与遮光罩6连接，用于将准直透镜9出射的平行光进行发散后射出，以进行照明；

镜头3，与导光模块10同向设置，用于采集待拍摄图像反射的光信号数据，并通过图像传感器2将光信号数据转换成电信号数据，处理模块1用于对电信号数据进行处理，以得到采集的图像。

本实施例中，导光模块的作用在于：传输准直透镜发出的平行光，避免光源发散到摄像头结构内部的其他位置而导致反射或发热的问题。此外，为了防止杂散光从导光模块侧壁出射影响镜头成像，导光模块内侧还可添加反光膜。

本实施例中，发散透镜与遮光罩的连接方式具体可以为：遮光罩在发散透镜对应位置处开孔，并将发散透镜嵌入该孔内，使得发散透镜与遮光罩的外表面齐平。或者也可采用粘贴的方式，将发散透镜粘贴在遮光罩的内表面，在这种方式下，为了避免光线散射到摄像头的内部，可采用粘贴位置的厚度低于其他位置厚度的遮光罩。

本实施例中，发散透镜为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜靠近准直透镜的光线入射面为凹面，菲涅尔透镜远离准直透镜的光线出射面为平面，这样设置可使得光源照明均匀性可控。由于入射到发散透镜的光为平行光，因此，菲涅尔透镜的直径和准直透镜的直径相同。

具体的，根据菲涅尔透镜环带参数独立的特性，本实施例中，可将菲涅尔透镜设计为按口径半径三等分的三个环带。其中，每个环带区域的曲率半径为预设环形区域的曲率半径的平均值；

其中，所述预设环形区域是将透镜半径按照三等分的形式划分后得到的区域，其中，所述透镜半径为准直透镜的半径。每个预设环形区域的曲率半径是不固定的，其变化状态可通过所述发光模块的能量分布得到，因此，预设环形区域的曲率半径的平均值也可通过发光模块的能量分布得到。

本实施例这样设置的原因如下，具体以发光模块是LED的情况进行说明：

LED可按照朗伯光源建立模型，朗伯光源在θ角方向的发光强度为：

I_θ=I₀cosθ

通常将LED期间的光束角2θ_1/2作为衡量光束发光角标准。半值角θ_1/2是指LED发光强度值为轴向强度值一半时，发光方向与发光法向的夹角。即

θ=θ_1/2时，I_θ=0.5I₀

其中，I_θ为朗伯光源在θ角方向的发光强度，I₀为轴向发光强度。

根据LED的上述光强分布模型，可以看出LED的光强分布与角度有关，从0度到θ_1/2，LED光强强度逐渐下降，光强分布呈现不均匀的情况。

利用LED的光强分布模型及准直透镜的参数，可以得出LED光源经准直透镜出射后的平行光的能量分布模型，根据该能量分布模型及需要实现的LED光能量均匀分布，以及视场角需求，可以建立平行光的能量分布与发散透镜发散角的关系模型，并可以得出发散透镜不同区域的发散角需求，从而构造出理想状态下发散透镜曲率半径变化模型。

具体的，由于LED光的能量分布一般为中心强，两边弱的不均匀变化的状态，则构造出的发散透镜曲率半径变换模型也为不均匀变化的状态。在理想状态下发散透镜曲率半径变化模型中，可将透镜半径按照三等分的形式划分为三个环形区域，每个环形区域的曲率半径不是固定的，其变化状态及平均值，均可为通过发光模块的能量分布得到。其中，由于入射到发散透镜的光为平行光，因此，在进行环形区域划分时所用的透镜半径可采用准直透镜的半径。

为了尽可能使得中间的能量分布扩散到两边，在采用菲涅尔透镜作为发散透镜时，可采用将菲涅尔透镜划分为三个区域的方式，使得能量尽可能达到均匀分布，即通过将菲涅尔透镜设计为按口径半径三等分的三个环带，每个环带区域取上述环形区域半径的平均值作为环带的曲率半径，这样可分别得出曲率半径R1、R2和R3，即可得到三个同心圆的菲涅尔透镜。本实施例采样上述设置方式，可在OMS系统需要大视场角，例如大于100度的视场角的照明范围时，利用菲涅尔透镜可选择不同的曲率半径，从而达到系统要求。

图2为现有技术提供的一种光学成像系统的光路走向示意图。如图2所示，现有红外LED40发出的光未经过导光模块的光路限制，在摄像头结构内部照明范围比较大，遮光罩60反射后容易进入镜头区域干扰成像质量，在摄像头外部照明范围是有红外LED的发散角决定的，是固定的照明范围。如图1所示，本发明实施例所设计的补光灯照明范围，在摄像头结构内部，光线被有效地限制在导光柱所限定的范围内，不会干扰摄像头的成像质量。并且在导光柱的基础上增加准直透镜，实现了红外LED照射的均匀性。在摄像头结构外部，由于增加了发散透镜，并且发散透镜采用锯齿结构表面，使得照明角度可控，实现大角度的均匀照明。

进一步的，菲涅尔透镜还可采用非球面的设计，达到精细化的要求。

进一步的，发散透镜的出射面布设有增透膜，以避免光源反射对周围的影响。

进一步的，本实施例中，准直透镜、导光模块和发散透镜采用一体的结构，且导光模块与发光模块的灯板固定连接，这样设置可提高透镜的抗震性能。

本实施例中，发光模块、准直透镜、导光模块和发散透镜，均在镜头的两侧对称设置，以对镜头达到更均匀的补光，实现更好的补光效果。

本实施例提供的光学成像系统，通过在发光模块的灯板上设置空心结构的导光模块，可将光线有效地限制在导光模块所限定的范围内。通过在导光模块内设置上下放置的准直透镜和发光模块，可实现红外发光模块照射的均匀性。通过在导光模块顶部设置发散透镜，并将发散透镜采用锯齿结构表面，可使得照明角度可控，可实现大角度的均匀照明。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：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实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种光学成像系统，包括：位于外壳内部的处理模块、分别与所述处理模块连接的图像传感器、信号传输模块和电源模块、与所述图像传感器连接的镜头，以及用于封装所述外壳的遮光罩，其特征在于，所述光学成像系统还包括：发光模块、准直透镜、导光模块和发散透镜；其中，

所述发光模块，置于所述处理模块上，并与所述处理模块连接，用于在所述处理模块的驱动下发光；所述导光模块为空心结构，置于所述处理模块上，所述导光模块的顶部延伸到所述遮光罩表面；

所述准直透镜和所述发光模块均位于所述导光模块的内部，且所述准直透镜设置于所述发光模块的上方，用于将所述发光模块发出的光转化为平行光出射；

所述发散透镜，位于所述导光模块的顶部，并与所述遮光罩连接，用于将所述准直透镜出射的平行光进行发散后射出，以进行照明；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发散透镜为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜靠近所述准直透镜的光线入射面为凹面，所述菲涅尔透镜远离所述准直透镜的光线出射面为平面。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜直径和所述准直透镜的直径相同，且所述菲涅尔透镜的凹面为同心圆环结构。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述同心圆环结构包括按口径半径三等分的三个环带，其中，每个环带区域的曲率半径为：预设环形区域的曲率半径的平均值；

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发散透镜的出射面布设有增透膜。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述遮光罩在所述发散透镜对应位置处开设有孔，所述发散透镜嵌入该孔内。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导光模块为柱状结构，其内侧布设有反光膜。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述准直透镜、所述导光模块和所述发散透镜一体成型。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发光模块为红外发光二极管。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发光模块、所述准直透镜、所述导光模块和所述发散透镜，均在所述镜头的两侧对称设置。