CN114967285B - 补光系统、摄像装置及摄像方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种补光系统、摄像装置及摄像方法，属于摄像装置技术领域。所公开的补光系统包括第一发光元件、第二发光元件、透镜和控制装置，透镜具有入光面，第一发光元件和第二发光元件均朝向入光面，且第一发光元件和第二发光元件间隔设置，第一发光元件发出的第一光束在透镜作用下形成第一视场角，第二发光元件发出的第二光束在透镜作用下形成第二视场角，第二视场角大于第一视场角；控制装置分别与第一发光元件和第二发光元件通信连接，控制装置用于调节第一发光元件的发光强度和第二发光元件的发光强度的比值，以使第一光束和第二光束在透镜的作用下形成出光角，出光角在第一视场角和第二视场角之间的角度范围内变化。

Description

补光系统、摄像装置及摄像方法

技术领域

本申请属于摄像装置技术领域，具体涉及一种补光系统、摄像装置及摄像方法。

背景技术

在拍摄过程中，通过补光系统优化光线分布情况，可以达到提升拍摄质量的效果，因此，补光系统的补光效果将直接决定拍摄质量的优劣。

相关技术中，补光系统包括至少两个补光灯和透镜，通过补光灯和透镜相结合的方式来改变补光效果。具体来说，透镜设有至少两个入光面，入光面与补光灯一一配合，补光灯发出的光束通过对应的入光面射入透镜内，这样一来，通过调节处于发光状态的补光灯的数量，能够改变补光效果。但是，由于透镜具有至少两个入光面，导致补光系统的尺寸较大。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种补光系统、摄像装置及摄像方法，能够解决相关技术中补光系统的尺寸较大的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种补光系统，包括第一发光元件、第二发光元件、透镜和控制装置，其中：

所述透镜具有入光面，所述第一发光元件和所述第二发光元件均朝向所述入光面，且所述第一发光元件和所述第二发光元件间隔设置，所述第一发光元件发出的第一光束在所述透镜的作用下形成第一视场角，所述第二发光元件发出的第二光束在所述透镜的作用下形成第二视场角，所述第二视场角大于所述第一视场角；

所述控制装置分别与所述第一发光元件和所述第二发光元件通信连接，所述控制装置用于调节所述第一发光元件的发光强度和所述第二发光元件的发光强度的比值，以使所述第一光束和所述第二光束在所述透镜的作用下形成出光角，所述出光角在所述第一视场角和所述第二视场角之间的角度范围内变化。

第二方面，本申请实施例还提供一种摄像装置，包括上述的补光系统。

第三方面，本申请实施例还提供一种摄像方法，应用于上述的摄像装置，包括：

根据摄像装置的拍摄模式确定第一发光元件的发光强度和第二发光元件的发光强度的比值，以控制出光角等于第一视场角和第二视场角之间的角度范围内的角度值，出光角与摄像装置的拍摄模式相适配。

在本申请实施例中，由于第一发光元件和第二发光元件均朝向入光面，且二者发出的第一光束和第二光束均经过入光面，故第一发光元件和第二发光元件共用同一个入光面，相比于设置至少两个入光面、光源与入光面一一对应的方案，入光面的数量减少，透镜的尺寸减小，故补光系统的尺寸减小。

而且，通过控制装置改变第一发光元件的发光强度和第二发光元件的发光强度的比值，能够改变第一发光元件的光能量在总光能量中的比例，同时，也就会改变第二发光元件的光能量在总光能量中的比例，进而在出光角所限定的区域范围中，第一发光元件的光能量所占的比例也就会改变，同时，第二发光元件的光能量所占的比例也会改变，因此，出光角得到调节，最终达到调节补光效果的目的。

如此设置，该补光系统在调节补光效果的同时，能够达到尺寸减小的目的。另外，控制装置调节第一发光元件的发光强度与第二发光元件的发光强度的比值，使得出光角能够在第一视场角和第二视场角之间的角度范围内变化，也就是说，出光角能够等于第一视场角和第二视场角之间的角度范围内的任意角度值，而并非是等于特定的至少两个角度值中的一个角度值。因此，该补光系统的补光效果的可调节范围扩大，适用范围扩大。

附图说明

图1是本申请实施例公开的第一发光元件发出的第一光束在透镜内的路径示意图；

图2是本申请实施例公开的透镜的出光面的结构示意图；

图3是本申请实施例公开的第一发光元件发出的第一光束经过出光面时的路径示意图；

图4是本申请实施例公开的第二发光元件发出的第一光束部在透镜内的路径示意图；

图5是本申请实施例公开的第一发光元件发出的第一光束和第二发光元件发出的第二光束部在透镜内的路径示意图；

图6是本申请实施例公开的第一发光元件和第二发光元件的结构示意图；

图7是本申请实施例公开的第一发光元件发出的第二光束部经过反光面的路径示意图。

附图标记说明：

100-第一发光元件；

200-第二发光元件；210-第一发光部；220-第二发光部；

300-透镜；310-第一入光面；320-第二入光面；330-反光面；340-出光面；341-第四曲面；

400-第一光束；

500-第二光束；

θ₁-第一视场角；θ₂-第二视场角。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的补光系统、摄像装置及摄像方法进行详细地说明。

请参考图1-图7，本申请实施例公开的补光系统包括第一发光元件100、第二发光元件200、透镜300和控制装置。其中，第一发光元件100和第二发光元件200作为光源，分别能够发出光束；透镜300具有聚光能力，能够将第一发光元件100和第二发光元件200发出的光束进行聚合，使光束中更多的光能量抵达目标物，提高目标物的清晰度；控制装置用于调节第一发光元件100的发光强度和第二发光元件200的发光强度的比值。

透镜300具有入光面，第一发光元件100和第二发光元件200均朝向入光面，因此，第一发光元件100发出的第一光束400和第二发光元件200发出的第二光束500均能够经过透镜300。可选地，第一光束400和第二光束500可以经过透镜300的折射作用后射出，也可以经过透镜300的折射作用和反射作用后射出。其中，第一发光元件100和第二发光元件200可以为发光芯片，也可以为补光灯，也可以为其它能够发光的元件。在实际应用时，第一发光元件100和第二发光元件200可以均安装于载体，并将载体安装于摄像装置的壳体上。

如此设置，由于第一发光元件100和第二发光元件200均朝向入光面，且二者发出的第一光束400和第二光束500均经过入光面，故第一发光元件100和第二发光元件200共用同一个入光面，相比于设置至少两个入光面、光源与入光面一一对应的方案，入光面的数量减少，透镜300的尺寸减小。

第一发光元件100和第二发光元件200间隔设置，也就是说，二者相对透镜300的位置不同。在第一发光元件100发光的情况下，第一发光元件100发出的第一光束400在透镜300的作用下形成第一视场角θ₁；在第二发光元件200发光的情况下，第二发光元件200发出的第二光束500在透镜300的作用下形成第二视场角θ₂，第二视场角θ₂大于第一视场角θ₁。

具体地，若第一发光元件100和第二发光元件200相对透镜300位于同一位置，那么，透镜300对第一光束400和第二光束500的作用相同，第一光束400经过透镜300后形成的第一视场角θ₁与第二光束500经过透镜300后形成的第二视场角θ₂相等。但由于第一发光元件100和第二发光元件200相对透镜300的位置不同，故透镜300对第一光束400和第二光束500的作用不同，第一光束400经过透镜300后形成的第一视场角θ₁与第二光束500经过透镜300后形成的第二视场角θ₂不相等。

需要说明的是，视场角的大小决定视野范围，视场角越大，说明视野范围越大，较易看清近处的目标物；视场角越小，说明视野范围越小，较易看清远处的目标物。

视场角所限定的范围是光束经过透镜300并扩散后，90％的总光能量所在的区域范围。因此，第一视场角θ₁所限定的范围是指第一光束400经透镜300射出后，第一光束400的90％的总光能量所在的区域范围；同样地，第二视场角θ₂所限定的范围是指第二光束500经透镜300射出后，第二光束500的90％的总光能量所在的区域范围。需要说明的是，90％的总光能量所在的区域范围为光束总范围的中间区域，这里的90％也可以替换为其他数值，只要能够充分表示视场角的大小即可。

因此，在第一发光元件100发光的情况下，若改变第一发光元件100的发光强度，第一光束400的总光能量改变，但90％的总光能量所在的区域范围不变，故第一视场角θ₁不变；同样地，在第二发光元件200发光的情况下，若改变第二发光元件200的发光强度，第二光束500的总光能量改变，但90％的总光能量所在的区域范围不变，故第二视场角θ₂不变。

控制装置分别与第一发光元件100和第二发光元件200通信连接，控制装置用于调节第一发光元件100的发光强度和第二发光元件200的发光强度的比值，从而使第一光束400和第二光束500在透镜300的作用下形成出光角，出光角在第一视场角θ₁和第二视场角θ₂之间的角度范围内变化。

可选地，控制装置可以通过调节第一发光元件100和第二发光元件200的发光强度，进而改变二者的比值。具体地，在第一发光元件100和第二发光元件200采用通电形式发光的情况下，控制装置可以通过改变电流大小来改变第一发光元件100和第二发光元件200的发光强度，进而改变二者的比值。在本实施例中，控制装置具有PWM波，利用PWM调光原理，使PWM波对电流进行调节，实现发光强度的改变。

具体地，调节第一发光元件100的发光强度与第二发光元件200的发光强度之比，也就是改变第一发光元件100的光能量在总光能量中的比例，同时，改变第二发光元件200的光能量在总光能量中的比例。出光角则是指90％的总光能量所在的区域范围，此处的“总光能量”指第一发光元件100的光能量和第二发光元件200的光能量之和。比例改变之后，总光能量改变，90％的总光能量所在的区域范围也会改变，即出光角改变。

如此设置，通过控制装置改变第一发光元件100的发光强度和第二发光元件200的发光强度的比值，进而调节出光角的大小，实现调节补光效果的目的。因此，该补光系统能够在调节补光效果的同时，能够达到尺寸减小的目的。

另外，控制装置调节第一发光元件100的发光强度与第二发光元件200的发光强度的比值，使得出光角能够在第一视场角θ₁和第二视场角θ₂之间的角度范围内变化，也就是说，出光角能够等于第一视场角θ₁和第二视场角θ₂之间的角度范围内的任意角度值，而并非是等于特定的至少两个角度值中的一个角度值。因此，该补光系统的补光效果的可调节范围扩大，适用范围扩大。

在可选的实施例中，在增大第一发光元件100的发光强度与第二发光元件200的发光强度之比时，可以通过增大第一发光元件100的发光强度来实现，也可以通过减小第二发光元件200的发光强度来实现，总之，第一发光元件100的光能量在总光能量中的比例增大，第二发光元件200的光能量在总光能量中的比例减小，那么，出光角所限定的范围中，第一发光元件100的光能量所占的比例也会增大，第二发光元件200的光能量所占的比例也会减小，因此，出光角逐渐接近第一视场角θ₁。

在可选的实施例中，在减小第一发光元件100的发光强度与第二发光元件200的发光强度之比时，可以通过减小第一发光元件100的发光强度来实现，也可以通过增大第二发光元件200的发光强度来实现，总之，第二发光元件200的光能量在总光能量中的比例增大，第一发光元件100的光能量在总光能量中的比例减小，那么，出光角所限定的范围中，第二发光元件200的光能量所占的比例也会增大，第一发光元件100的光能量所占的比例也会减小，因此，出光角逐渐接近第二视场角θ₂。

需要补充的是，出光角可以等于第一视场角θ₁或第二视场角θ₂。在第一发光元件100发光的情况下，第一发光元件100的光能量即为总光能量，此时，出光角等于第一视场角θ₁；在第二发光元件200发光的情况下，第二发光元件200的光能量即为总光能量，此时，出光角等于第二视场角θ₂。

在本实施例中，第一视场角θ₁可以为25°，第二视场角θ₂可以为60°，出光角的范围为25-60°。当然，第一视场角θ₁和第二视场角θ₂也可以为其它角度值，取决于透镜300对第一发光元件100的作用以及透镜300对第二发光元件200的作用。

如此设置，进一步扩大出光角的可调节范围，扩大适用范围。

在可选的实施例中，如图1以及图4-图6所示，第二发光元件200包括第一发光部210和第二发光部220，第一发光部210和第二发光部220分别设于第一发光元件100的两侧，且第一发光部210和第二发光部220分别位于第一发光元件100和入光面的边缘之间。也就是说，第一发光元件100相对第二发光元件200，靠近入光面的中间区域，那么，第一光束400在透镜300的作用下较为聚集；第一发光部210和第二发光部220相对第一发光元件100，靠近入光面的边缘区域，那么，第二光束500在透镜300的作用下较为分散。

具体地，如图4和图5所示，由于第一发光部210和第二发光部220分别设于第一发光元件100的两侧，那么，第一发光部210发出的第二光束500在透镜300的作用下，相对第一光束400沿第一发光元件100至第二发光部220的方向发散；同样地，第二发光部220发出的第二光束500在透镜300的作用下，相对第一光束400沿第一发光元件100至第一发光部210的方向发散。因此，第一发光部210的第二光束500和第二发光部220的第二光束500朝相反的方向发散。

如此设置，第一发光部210的第二光束500和第二发光部220的第二光束500分别从第一光束400的相对的两侧进行补光，使得补光效果更为均匀。

而且，控制装置分别与第一发光部210和第二发光部220通信连接，控制装置用于调节第一发光元件100的发光强度与第一发光部210和第二发光部220的发光强度之和的比值。其中，第一发光部210的发光强度和第二发光部220的发光强度之和即为第二发光元件200的发光强度。具体地，控制装置可以调节第一发光部210的发光强度和第二发光部220的发光强度，从而改变二者的光能量之和占总能量的比例。可选地，第一发光部210的发光强度与第二发光部220的发光强度可以相同，也可以不相同。

在可选的实施例中，透镜300具有光轴，第一发光元件100的发光中心与光轴重合，第一发光部210和第二发光部220相对光轴对称设置。而且，第一发光部210的发光强度与第二发光部220的发光强度相同。当然，第二发光元件200也可以包括多个发光部，多个发光部分布于第一发光元件100的周围。

如此设置，第一发光部210的光能量与第二发光部220的光能量相等，对第一光束400的两侧的补光效果相同，使得最终的补光效果更加均匀。

可选地，如图1所示，入光面包围第一发光元件100和第二发光元件200，且入光面包括第一入光面310和第二入光面320，第二入光面320环绕第一入光面310。而且，透镜300还具有反光面330和出光面340，反光面330环绕入光面和出光面340，且反光面330连接第二入光面320和出光面340。其中，第一入光面310和第二入光面320均对光束进行折射，用于供光束进入透镜300的内部；反光面330对光束进行反射；出光面340对光束进行折射，用于供光束射出至透镜300外部。

其中，第一光束400和第二光束500均包括第一光束部和第二光束部，第一光束部经第一入光面310折射后由出光面340射出，第二光束部经第二入光面320折射和反光面330反射后由出光面340射出。具体地，第一入光面310位于入光面的中间区域，第二入光面320位于入光面的边缘区域，第一入光面310与出光面340相对，故经过第一入光面310的光束能够从出光面340射出，而且，第二入光面320较为靠近反光面330，故经过第二入光面320的光束能够经过反光面330的反射后再从出光面340射出。

在所有的第一光束400或所有的第二光束500中，第一光束部位于中间区域，故第一光束部本身较为聚集，而第二光束部位于边缘区域，故第二光束部较为发散，如此设置，令第二光束部通过反光面330的反射作用后，向靠近透镜300的光轴方向聚集，进而提高第一光束400或第二光束500的聚集程度，使更多的光能量抵达目标物，提高目标物的清晰度，提升补光效果。

在本申请的方案中，第一入光面310为第一曲面，第一曲面沿靠近第一发光元件100和第二发光元件200的方向凸起；第二入光面320为第二曲面，第二曲面沿远离第一发光元件100和第二发光元件200的方向凸起；反光面330为第三曲面，第三曲面向远离透镜300的光轴的方向凸起。也就是说，第一曲面和第三曲面均形成透镜300的凸起结构，第二曲面形成透镜300的凹陷结构。具体地，第一曲面、第二曲面和第三曲面均可以为弧面，弧面可以为部分球面，也可以为其它曲面结构。

如此设置，第一曲面对第一光束部起到汇聚作用，使第一光束部向靠近透镜300的光轴方向聚集；第二曲面对第二光束部起到发散作用，使第二光束部更多地接触反光面330，第二光束部能够被反射；第三曲面对第二光束部起到汇聚作用，使第二光束部经过反射后能够由出光面340射出，同时，第二光束部也会向靠近透镜300的光轴方向聚集。综上，该方案可以进一步提高第一光束400和第二光束500的聚集程度，提高补光效果。

一种方案中，如图1所示，第一光束400的第一光束部经过第一入光面310折射后呈第一平行光束，第一光束400的第二光束部经第二入光面320折射和反光面330反射后呈第二平行光束。而且，第一平行光束和第二平行光束相互平行，第一平行光束和第二平行光束均垂直于出光面340的所在平面。需要说明的是，实际应用时，由于光束在一定程度上还是会发散，光束很难呈现绝对的平行光束，故第一平行光束和第二平行光束均为近似平行光束。

具体地，由于第一光束400在经过出光面340之前呈平行光束，若出光面340未对第一光束400起到折射作用，那第一光束400最终形成的第一视场角θ₁为0°，若出光面340对第一光束400起到折射作用，则第一视场角θ₁大于0°，故第一光束400经出光面340折射后形成的第一视场角θ₁的大小，取决于出光面340的折射作用，也就是取决于出光面340的结构。

如此设置，在第一光束400由透镜300射出之前，使第一光束400呈现近似平行光束，排除入光面和反光面330对第一视场角θ₁的影响，进而通过设置出光面340的结构，来实现合适的第一视场角θ₁大小。

在可选的实施例中，结合图1所示，第一入光面310为第一球面，且沿靠近第一发光元件100和第二发光元件200的方向凸起，且第一发光元件100的发光中心至第一球面的距离d₀＝r0/(n-1)。其中，r0为第一球面的半径，n为透镜300的透射率。在第一发光元件100至第一球面的距离满足该条件的情况下，第一发光元件100发出的第一光束部经过第一曲面的折射后才能呈现第一平行光束，此时第一发光元件100位于第一入光面310的焦点处。

当然，在其它实施例中，第一入光面310可以为非球面的弧面，只要第一发光元件100位于第一入光面310的焦点处，即可实现第一发光元件100发出的第一光束部经过第一曲面的折射后呈现第一平行光束。

如此设置，在第一入光面310呈第一球面的情况下，通过上述条件计算第一发光元件100的发光中心至第一球面的距离，即可将第一发光元件100设置在对应的位置，实现第一发光元件100发出的第一光束部呈现第一平行光束，排除第一入光面310对第一视场角θ₁的影响。

在可选的实施例中，为实现第一发光元件100发出的第二光束部经第二入光面320折射和反光面330反射后呈第二平行光束，如图1和图7所示，以第一发光元件100的发光中心A为极点建立极坐标系，反光面330的预设点B的极坐标为(ρ，θ)，反光面330满足以下条件：ρ'＝ρ'sinθ+ρcosθ；

其中，ρ为第一发光元件100的发光中心A与预设点B之间的距离，θ为第一方向与极坐标系的极轴之间的夹角，第一方向为第一发光元件100的发光中心A至预设点B的方向，ρ'表征ρ求导后的结果。

需要说明的是，第二入光面320呈球面，第一发光元件100位于第二入光面320的球心处，从而使第一发光元件100发出的第二光束部经过第二入光面320时路径不变，第二光束部直接贯穿第二入光面320，也就是说，排除第二入光面320对第二光束部呈现第二平行光束的影响，对于第二光束500是否能够呈现第二平行光束，取决于反光面330的结构。

具体地，如图7所示，预设点B为反光面330上任意一点，预设点B的极坐标为(ρ，θ)，以第一发光元件100的发光中心为原点建立直角坐标系，如图1所示，将预设点B的极坐标转换为直角坐标，则预设点B的直角坐标为(ρcosθ，ρsinθ)。此时，预设点B处的方向向量T＝(ρ'cosθ-ρsinθ，ρ'sinθ+ρcosθ)，其中，ρ'cosθ-ρsinθ表征ρcosθ求导后的结果，ρ'sinθ+ρcosθ表征ρsinθ求导后的结果；入射光向量in＝(ρcosθ，ρsinθ)，经过反光面330后，由于经过反射后的第二光束部为第二平行光束，故设定出射光向量out＝(0，1)。进一步地，根据光的反射定律，(out-in)·T＝0，进而得出反光面330的曲面方程为ρ'＝ρ'sinθ+ρcosθ。

如此设置，依据上述条件设置反光面330的结构，即可实现第一发光元件100发出的第二光束部呈现第二平行光束，排除反光面330对第一视场角θ₁的影响。

在本实施例中，反光面330还满足以下条件：ρ(θ＝0)＝L，其中，L为反光面330与第二入光面320的连接点至第一发光元件100的发光中心之间的距离。此时θ＝0，说明反光面330与第二入光面320的连接点位于极轴上。在第二入光面320呈球面，且第一发光元件100位于第二入光面320的球心处的情况下，L等于第二入光面320的半径。

在本申请的方案中，第一入光面310为第一球面，且沿靠近第一发光元件100和第二发光元件200的方向凸起，实现第一入光面310对光束的发散作用。结合图4和图6所示，第一发光元件100的发光中心和第一发光部210的发光中心之间的距离为第一距离，第一发光元件100的发光中心和第二发光部220的发光中心之间的距离为第二距离，第一距离和第二距离相等且均为距离d₁，距离d₁满足以下条件：

其中，r0为第一球面的半径，θ₂为第二视场角，n为透镜300的透射率。

具体地，如图4所示，/>由此可得，/>

其中，f₂为第一入光面310的焦距，θ₂为第一发光部210的光束经第一入光面310后呈现的光束与第二发光部220的光束经第一入光面310后呈现的光束之间的夹角。因此，n、r0恒定的情况下，第二视场角θ₂与d₁具有直接关系，d₁越大，θ₂越大；d₁越小，θ₂越小。

需要说明的是，上述条件适用于第一发光元件100位于第一球面的焦点的情况，这样第一发光元件100的第一光束部经第一入光面310呈现第一平行光束，且第一平行光束平行于第一球面的光轴。由于第一发光元件100的发光中心和第一发光部210的发光中心之间的距离与第一发光元件100的发光中心和第二发光部220的发光中心之间的距离相等，第一发光部210的光束的路径与第二发光部220的光束的路径对称，因此，第一发光部210的光束经第一入光面310后的光束和第一平行光束之间的夹角，等于第二发光部220的光束经第一入光面310后的光束和第一平行光束之间的夹角，也就是θ₂/2，进而使d₁满足上述条件。

在本实施例中，第一球面的光轴为透镜300的光轴。

如此设置，依据d₁与θ₂之间的关系式，通过设置合适的第一球面的弦长d₁，来达到所需的第二视场角θ₂大小的效果。

在具体实施例中，上述条件适用于第一发光部210、第一发光元件100和第二发光部220的排列方向垂直于透镜300的光轴方向的情况，这样一来，第二光束500的第一光束部经第一入光面310折射后也呈现近似平行光束，虽然第一光束部经出光面340时也会发生折射，射出后进一步发散，但射出的路径不变，对第二视场角θ₂基本无影响，故将第一发光部210的光束经第一入光面310后呈现的光束与第二发光部220的光束经第一入光面310后呈现的光束之间的夹角视为θ₂。

另外，如图5所示，在透镜300具有第二入光面320和反光面330的情况下，第二光束500的部分光束还经过第二入光面320的折射和反光面330的反射后射出。由于第一发光部210和第二发光部220相对第一发光元件100靠近入光面的边缘区域，也就是靠近第二入光面320，故第二光束500的部分光束经折射和反射后呈现的光束，与第一光束400的部分光束经折射和反射后呈现的光束对比，比较向远离透镜300的光轴方向发散；但由于第一光束400的部分光束经过折射和反射后呈现的第二平行光束平行于透镜300的光轴，故第二光束500的该部分光束即使相对发散，发散程度也有限，对第二视场角θ₂的影响较小，此处可忽略不计。

在可选的实施例中，透镜300还具有出光面340，出光面340包括多个依次连接的第四曲面341，各个第四曲面341均沿远离入光面的方向凸起。在本实施例中，如图2所示，出光面340可以采用复眼阵列，当然，也可以采用其它形式的阵列。

如此设置，通过多个第四曲面341，将经过出光面340的第一光束400和第二光束500分为多个小光束，每个小光束分别经过各个第四曲面341，各个小光束的折射程度相同，故第一光束400和第二光束500射出后补光更加均匀；而且，由于第四曲面341沿远离入光面的方向凸起，故第四曲面341对光束起到汇聚作用，提升补光效果。

可选地，结合图1-图3所示，第一光束400在经过出光面340的折射之前呈平行光束，故第一视场角θ₁的大小取决于出光面340的结构，具体地，第四曲面341为第二球面，任意第二球面沿第二方向的长度尺寸d₂满足以下条件：

其中，r1为第二球面的半径，θ₁为第一视场角，n为透镜300的透射率，第二方向平行于多个第四曲面341所在的平面，而且，第二方向平行于第一视场角θ₁所在的平面。在本实施例中，多个第四曲面341所在的平面与透镜300的光轴相垂直，故第二方向与透镜300的光轴相垂直。需要说明的是，第二方向为图2中的X方向。

具体地，视场角包括水平视场角和垂直视场角，水平视场角所限定的范围指在水平方向上90％的总光能量所在的区域范围，也就是在水平方向上的视野角度，同样地，垂直视场角所限定的范围指在铅锤方向上90％的总光能量所在的区域范围，也就是在铅锤方向上的视野角度。在第一视场角θ₁为水平视场角的情况下，第二方向平行于水平面；在第一视场角θ₁为垂直视场角的情况下，第二方向平行于铅锤方向。

具体地，如图3所示，d₂既表示第二球面沿第二方向的长度尺寸，如图2所示，d₂又表示沿第二方向上任意相邻的两个第二球面的顶点之间的距离。根据图3可知：

而且，/>由此可得，/>

其中，f₁为第四曲面341的焦距。因此，n、r1恒定的情况下，第一视场角θ₁与d₂具有直接关系，d₂越大，θ₁越大；d₂越小，θ₁越小。

如此设置，依据d₂与θ₁之间的关系式，通过设置合适的第二球面的弦长d₂，来达到所需的第一视场角θ₁大小的效果。

一种方案中，如图2所示，出光面340包括多个曲面组，多个曲面组沿第三方向排布，且依次连接，各个曲面组均包括多个第四曲面341，任意曲面组的多个第四曲面341沿第四方向排布，且依次连接，第四方向与第三方向相垂直。第三方向和第四方向所构成的平面即为多个第四曲面341所在的平面，二者均垂直于透镜300的光轴。可选地，第三方向平行于第一视场角θ₁所在的平面，或者，第四方向平行于第一视场角θ₁所在的平面。需要说明的是，第三方向可以为图2中的X方向，或者，第四方向为图2中的X方向。

具体地，可以是第三方向为水平方向，第四方向为铅锤方向；也可以是第三方向为铅垂方向，第四方位水平方向。此时，在水平方向平行于第一视场角θ₁所在的平面的情况下，第一视场角θ₁为水平视场角；在铅垂方向平行于第一视场角θ₁所在的平面的情况下，第一视场角θ₁为垂直视场角。

在本方案中，第一视场角θ₁、第二视场角θ₂和出光角均为水平视场角，或者，第一视场角θ₁、第二视场角θ₂和出光角均为垂直视场角。

在本实施例中，各个第四曲面341均为第二球面。在第三方向平行于第一视场角θ₁所在的平面的情况下，第二球面在第三方向上的长度尺寸大小，决定第一视场角θ₁的大小；在第四方向平行于第一视场角θ₁所在的平面的情况下，第二球面在第四方向上的长度尺寸大小，决定第一视场角θ₁的大小。

如此设置，通过第四曲面341沿第三方向排列以及沿第四方向排列，既能使第一光束400在第三方向上形成第一视场角θ₁，也可以使第一光束400在第四方向上形成第一视场角θ₁，进而实现第一视场角θ₁为水平视场角或垂直视场角。

基于本申请所公开的补光系统，本申请实施例还公开一种摄像装置，包括上述实施例中的补光系统。

基于本申请公开的摄像装置，本申请实施例还公开一种摄像方法，应用于上述的摄像装置，摄像方法包括：

首先，根据摄像装置的拍摄模式确定出光角。具体地，摄像装置的拍摄模式包括广角模式、望远模式和平衡模式。其中，在拍摄模式为广角模式时，出光角等于第二视场角θ₂，摄像装置可以拍摄距离较近的物体；在拍摄模式为望远模式时，出光角等于第一视场角θ₁，摄像装置可以拍摄距离较远的物体；在拍摄模式为平衡模式时，出光角大于第一视场角θ₁且小于第二视场角θ₂。

其次，根据出光角确定第一发光元件100的第一发光强度和第二发光元件200的第二发光强度。具体地，通过控制装置调节第一发光元件100的第一发光强度和第二发光元件200的第二发光强度。

在出光角等于第一视场角θ₁的情况下，第一发光元件100的第一发光强度大于零，第二发光元件200的第二发光强度为零；在出光角等于第一视场角θ₂的情况下，第一发光元件100的第一发光强度为零，第二发光元件200的第二发光强度大于零；在出光角大于第一视场角θ₁且小于第二视场角θ₂的情况下，第一发光强度和第二发光强度均大于零，可通过控制装置调节二者的比值。

最后，控制第一发光元件100以第一发光强度工作，控制第二发光元件200以第二发光强度工作，以使出光角与摄像装置的拍摄模式相适配。

具体地，在出光角等于第一视场角θ₁的情况下，第一发光元件100以第一发光强度发光，第二发光元件200不发光，以匹配摄像装置的望远模式；在出光角等于第一视场角θ₂的情况下，第一发光元件100不发光，第二发光元件200以第二发光强度发光，以匹配摄像装置的广角模式；在出光角大于第一视场角θ₁且小于第二视场角θ₂的情况下，第一发光元件100以第一发光强度发光，第二发光元件200以第二发光强度发光，以匹配摄像装置的平衡模式。

如此设置，通过调节第一发光元件100的发光强度和第二发光元件200的发光强度，来控制出光角的大小，以匹配摄像装置不同的拍摄模式。

本申请公开一种变焦摄像机用补光系统，变焦摄像机用补光系统包括光源组件和透镜300，光源组件包括第一发光元件100和第二发光元件200，其中，第二发光元件200包括第一发光部210，第一发光元件100和第一发光部210间隔设置。透镜300包括入光面、反光面330和出光面340，入光面包括朝向光源组件凸起的第一入光面310和背向光源组件凹陷的第二入光面320，第二入光面320连接第一入光面310和反光面330。具体地，第一入光面310和第二入光面320均为曲面，可选地，第一入光面310和第二入光面320均可以为弧面。

光源组件和透镜300配置为：

在变焦摄像机处于最大焦距时，仅第一发光元件100被设置为点亮；第一发光元件100的发射光线部分经由第一入光面310透射后准直射入出光面340，部分依次经由第二入光面320透射和反光面330反射后准直射入出光面340，也就是说，如图1所示，第一发光元件100的发射光线在射入出光面340之前，发射光线与出光面340相垂直，发射光线与透镜300的光轴方向相平行。发射光线经过出光面340后进行发散，故变焦摄像机处于最大焦距时的视场角取决于出光面340的透射程度，也就是取决于出光面340的结构。

在变焦摄像机处于最小焦距时，仅第一发光部210被设置为点亮，第一发光部210的发射光线部分依次经由第二入光面320透射和反光面330反射后射入出光面340，且部分经由第一入光面310透射后射入出光面340。需要说明的是，如图4和图5所示，第一发光部210的两部分发射光线在射入出光面340之前，发射光线并非准直射入出光面340，而是相对透镜300的光轴倾斜射入出光面340，此时，发射光线相对透镜300的光轴的倾斜程度越大，经出光面340射出后发射光线越发散，说明变焦摄像机处于最小焦距时的视场角越大；发射光线相对透镜300的光轴的倾斜程度越小，经出光面340射出后发射光线越集中，说明变焦摄像机处于最小焦距时的视场角越小。

可选地，第一发光元件100位于透镜300的光轴位置，故第一发光部210与第一发光元件100之间的距离越大，说明第一发光部210偏离透镜300的光轴的程度越大，第一发光部210的发射光线经入光面透射后相对透镜300的光轴的倾斜程度越大，由此，第一发光部210的发射光线相对透镜300的光轴的倾斜程度取决于第一发光部210与第一发光元件100之间的距离，故变焦摄像机处于最小焦距时的视场角取决于第一发光部210与第一发光元件100之间的距离。

其中，第一发光元件100经由出光面340射出的光线覆盖变焦摄像机在最大焦距时的视场角所对应的区域，变焦摄像机在最大焦距时的视场角为上文的第一视场角θ₁，第一发光部210经由出光面340射出的光线覆盖变焦摄像机在最小焦距时的视场角所对应的区域，变焦摄像机在最小焦距时的视场角为上文的第二视场角θ₂。

在本实施例中，由于第一发光元件100和第一发光部210的发射光线均经过第一入光面310和第二入光面320，故第一发光元件100和第一发光部210均朝向入光面，第一发光元件100和第一发光部210共用同一个入光面，相比于设置至少两个入光面、光源与入光面一一对应的方案，入光面的数量减少，透镜300的尺寸减小，故补光系统的尺寸减小。而且，变焦摄像机用补光系统在最小焦距和最大焦距之间切换时，补光系统的视场角改变，补光效果得到调节。

在进一步的实施例中，变焦摄像机处于最大焦距和最小焦距之间的第一焦距时，第一发光元件100和第一发光部210被设置为同时点亮，且第一发光元件100和第一发光部210的输入电流比值由第一焦距确定。此时，变焦摄像机在第一焦距时的视场角位于第一视场角θ₁和第二视场角θ₂之间。如此，通过调节第一发光元件100和第一发光部210的输入电流比值，即可调节变焦摄像机的焦距，实现视场角的调节。

在可选的实施例中，第一入光面310为球面，第二入光面320为球面，且第一发光元件100位于第二入光面320的球心处，如此，第一发光元件100的发射光线经过第二入光面320的过程中不会发生折射，此情况下，通过设置合适的反光面330即可实现第一发光元件100的部分发射光线准直射入出光面340。

在可选的实施例中，第一入光面310与光源组件的最短距离由以第一入光面310的半径和透镜300的透射率为参变量的函数确定，在满足该函数的情况下，第一发光元件100的发射光线和第一发光部210的发射光线经由第一入光面310的折射后分别呈现平行光束。具体地，第一入光面310与光源组件的最短距离为上文中的距离d₀，第一入光面310的半径为上文中的r0，透镜300的透射率为上文中的n，三者之间的函数关系为d₀＝r0/(n-1)。

在可选的实施例中，出光面340具有复眼区域，复眼区域是具有半径r1的球面阵列，此处半径为r1的球面指上文中的第四曲面341。由于出光面340采用复眼的阵列形式，故出光面340能够将发射光线分为多个小光束，各个球面对各小光束的折射程度基本相同，故发射光线由出光面340射出后补光更加均匀。

在可选的实施例中，任一球面阵列顶点与邻近的球面阵列顶点的距离由半径r1、变焦摄像机在最大焦距时的视场角和透镜300的透射率的函数确定。其中，任一球面阵列顶点与邻近的球面阵列顶点的距离为上文中的d₂，变焦摄像机在最大焦距时的视场角为第一视场角θ₁，透镜300的透射率为n，d₂由θ₁和n的函数确定，反之，θ₁由d₂和n的函数确定，通过设置d₂和n，可以使变焦摄像机在最大焦距时得到较为合适的视场角θ₁。

在进一步的实施例中，任一球面阵列顶点与邻近的球面阵列顶点的距离d₂与变焦摄像机在最大焦距时的视场角θ₁正相关，也就是说，距离d₂越大，变焦摄像机在最大焦距时的视场角θ₁越大，同样地，距离d₂越小，变焦摄像机在最大焦距时的视场角θ₁越小。可选地，任一球面阵列顶点与邻近的球面阵列顶点的距离d₂与变焦摄像机在最大焦距时的视场角θ₁的比值由半径r1、透镜300的透射率确定。通过半径r1和透镜300的透射率，来确定距离d₂与第一视场角θ₁的正相关程度。

可选地，任一球面阵列顶点与邻近的球面阵列顶点的距离d₂与变焦摄像机在最大焦距时的视场角θ₁、半径r1、透镜300的透射率n满足以下条件：

通过该条件，根据变焦摄像机在最大焦距时的所需视场角θ₁、半径r1、透镜300的透射率n三个参数能够明确得到距离d₂。反之，通过设置距离d₂、半径r1和透镜300的透射率n，可以使变焦摄像机在最大焦距时得到需要的视场角θ₁。

在本申请的方案中，第一发光部210设置在距离第一发光元件100的第一距离处，第一距离为上文中的d₁，第一距离由第一入光面310的球面半径r0、变焦摄像机在最小焦距时的视场角θ₂和透镜的透射率n的函数确定，即d₁由第二视场角θ₂和n的函数确定，反之，θ₂由d₁和n的函数确定，通过设置d₁和n，可以使变焦摄像机在最大焦距时得到较为合适的视场角θ₂。

在进一步的实施例中，第一距离d₁与变焦摄像机在最小焦距时的视场角θ₂正相关。也就是说，第一距离d₁越大，变焦摄像机在最小焦距时的视场角θ₂越大；第一距离d₁越小，变焦摄像机在最小焦距时的视场角θ₂越小。可选地，第一距离d₁与变焦摄像机在最小焦距时的视场角θ₂的比值由第一入光面310的球面半径r0、透镜的透射率n确定。通过第一入光面310的球面半径r0和透镜的透射率n，来确定第一距离d₁与第二视场角θ₂的正相关程度。

可选地，第一距离d₁与变焦摄像机在最小焦距时的视场角θ₂、半径r0、透镜300的透射率n满足以下条件：

通过该条件，根据变焦摄像机在最小焦距时的所需视场角θ₂、半径r0、透镜300的透射率n三个参数能够明确得到第一距离d₁。反之，通过设置第一距离d₁、半径r0和透镜300的透射率n，可以使变焦摄像机在最小焦距时的得到需要的视场角θ₂。

因此，利用上述d₁和d₂的关系式，能够确定变焦摄像机的变焦范围和视场变化范围。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (11)

1.一种补光系统，其特征在于，包括第一发光元件(100)、第二发光元件(200)、透镜(300)和控制装置，其中：

所述透镜(300)具有入光面，所述第一发光元件(100)和所述第二发光元件(200)均朝向所述入光面，且所述第一发光元件(100)和所述第二发光元件(200)间隔设置，所述第一发光元件(100)发出的第一光束(400)在所述透镜(300)的作用下形成第一视场角(θ₁)，所述第二发光元件(200)发出的第二光束(500)在所述透镜(300)的作用下形成第二视场角(θ₂)，所述第二视场角(θ₂)大于所述第一视场角(θ₁)；

所述控制装置分别与所述第一发光元件(100)和所述第二发光元件(200)通信连接，所述控制装置用于调节所述第一发光元件(100)的发光强度和所述第二发光元件(200)的发光强度的比值，以使所述第一光束(400)和所述第二光束(500)在所述透镜(300)的作用下形成出光角，所述出光角在所述第一视场角(θ₁)和所述第二视场角(θ₂)之间的角度范围内变化；

所述入光面包围所述第一发光元件(100)和所述第二发光元件(200)，且所述入光面包括第一入光面(310)和第二入光面(320)，所述第二入光面(320)环绕所述第一入光面(310)，所述第二入光面(320)为球面，所述球面沿远离所述第一发光元件(100)和所述第二发光元件(200)的方向凸起，所述第一发光元件(100)位于所述球面的球心处，且位于所述第一入光面(310)的焦点处，所述透镜(300)还具有反光面(330)和出光面(340)，所述反光面(330)环绕所述入光面和所述出光面(340)，且所述反光面(330)连接所述第二入光面(320)和所述出光面(340)，其中：

所述第一光束(400)和所述第二光束(500)均包括第一光束部和第二光束部，所述第一光束部经所述第一入光面(310)折射后呈第一平行光束，并由所述出光面(340)射出，所述第二光束部经所述第二入光面(320)折射和所述反光面(330)反射后呈第二平行光束，并由所述出光面(340)射出。

2.根据权利要求1所述的补光系统，其特征在于，所述第二发光元件(200)包括第一发光部(210)和第二发光部(220)，所述第一发光部(210)和所述第二发光部(220)分别设于所述第一发光元件(100)的两侧，且所述第一发光部(210)和所述第二发光部(220)分别位于所述第一发光元件(100)和所述入光面的边缘之间，所述控制装置分别与所述第一发光部(210)和所述第二发光部(220)通信连接。

3.根据权利要求1所述的补光系统，其特征在于，所述第一入光面(310)为第一曲面，所述第一曲面沿靠近所述第一发光元件(100)和所述第二发光元件(200)的方向凸起；所述反光面(330)为第三曲面，所述第三曲面向远离所述透镜(300)的光轴的方向凸起。

4.根据权利要求1所述的补光系统，其特征在于，所述第一入光面(310)为第一球面，且沿靠近所述第一发光元件(100)和所述第二发光元件(200)的方向凸起，所述第一发光元件(100)的发光中心至所述第一球面的距离d₀＝r0/(n-1)，其中，r0为所述第一球面的半径，n为所述透镜(300)的透射率。

5.根据权利要求1所述的补光系统，其特征在于，以所述第一发光元件(100)的发光中心A为极点建立极坐标系，所述反光面(330)的预设点B的极坐标为(ρ，θ)，所述反光面(330)满足以下条件：ρ'＝ρ'sinθ+ρcosθ；

其中，ρ为所述第一发光元件(100)的发光中心A与所述预设点B之间的距离，θ为第一方向与所述极坐标系的极轴之间的夹角，所述第一方向为所述第一发光元件(100)的发光中心A至所述预设点B的方向，ρ'表征ρ求导后的结果。

6.根据权利要求2所述的补光系统，其特征在于，所述第一入光面(310)为第一球面，且沿靠近所述第一发光元件(100)和所述第二发光元件(200)的方向凸起，所述第一发光元件(100)的发光中心和所述第一发光部(210)的发光中心之间的距离为第一距离，所述第一发光元件(100)的发光中心和所述第二发光部(220)的发光中心之间的距离为第二距离，所述第一距离和所述第二距离相等且均为距离d₁，所述距离d₁满足以下条件：

其中，r0为所述第一球面的半径，θ₂为所述第二视场角，n为所述透镜(300)的透射率。

7.根据权利要求1所述的补光系统，其特征在于，所述出光面(340)包括多个依次连接的第四曲面(341)，各个所述第四曲面(341)均沿远离所述入光面的方向凸起。

8.根据权利要求7所述的补光系统，其特征在于，所述第一光束(400)在经所述出光面(340)的折射之前呈平行光束，所述第四曲面(341)为第二球面，任意所述第二球面沿第二方向的长度尺寸d₂满足以下条件：

其中，r1为所述第二球面的半径，θ₁为所述第一视场角，n为所述透镜(300)的透射率，所述第二方向平行于多个所述第四曲面(341)所在的平面，且所述第二方向平行于所述第一视场角(θ₁)所在的平面。

9.根据权利要求7所述的补光系统，其特征在于，所述出光面(340)包括多个曲面组，所述多个曲面组沿第三方向排布，且依次连接，各个所述曲面组均包括多个所述第四曲面(341)，任意所述曲面组的多个所述第四曲面(341)沿第四方向排布，且依次连接，所述第四方向与所述第三方向相垂直。

10.一种摄像装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的补光系统。

11.一种摄像方法，应用于权利要求10所述的摄像装置，包括：

根据摄像装置的拍摄模式确定出光角；

根据所述出光角确定所述第一发光元件(100)的第一发光强度和所述第二发光元件(200)的第二发光强度；

控制所述第一发光元件(100)以所述第一发光强度工作，控制所述第二发光元件(200)以所述第二发光强度工作，以使所述出光角与摄像装置的拍摄模式相适配。