CN1873515B - 具有光学校正的罩 - Google Patents
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Abstract
提出了一种用于防破坏监视摄像机系统(110)中的透明罩(114)，透明罩(114)包括透明光学材料(138)，光学材料(138)本身包括内表面(116)和外表面(118)。表面(116，118)都基本上旋转对称且显示非球形形状。另外，提出了一种包括根据本发明的透明罩(114)和可枢转地安装在透明罩(114)内的摄像机(128)的防破坏监视摄像机系统(110)。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用在监视摄像机系统中的透明罩，主要用于防破坏监视摄像机系统中。另外，本发明涉及一种包括根据本发明的透明罩的防破坏监视摄像机系统。透明罩和防破坏监视摄像机系统能被用于例如室内和/或室外监视，诸如监视公共或私人建筑物或监视车辆。
背景技术
随着诸如数字摄像机系统等的现代摄像机系统的发展，光学监视在各种技术领域变得越来越广泛。因此，如今能发现监视摄像机系统在公共或私人建筑物内或在自动技术中用于室内和/或室外监视目的，诸如用于旅客检查或观察。
在一些这些应用中，摄像机系统常遭受苛刻条件。因此，用于室外监视目的时，摄像机系统通常遭受诸如天气条件(例如，雨或雪)等的恶劣的环境条件。用于特别是公共建筑物的监视应用目的时，摄像机系统常遭受机械应变，诸如受到人为破坏、刮刻或机械振动行为的影响。
为了保护摄像机系统并延长系统的寿命，从现有技术中已知有使用透明罩作为保护以免受到环境应力或受到人为破坏影响的监视摄像机系统。JP 2000 156810 A描述了一种罩盖、一种罩摄象机和形成罩盖的装置。该罩是由具有光学透明度的丙烯酸树脂注塑成形。罩盖的内表面和外表面具有球形形状。这些球形表面的中心偏差0.5mm。
然而，根据先前技术的已知光学罩通常显示出不足和缺点。这些不足和缺点通常与摄像机(包括光学透镜系统)是被枢转地放置在光学罩内的这一事实有关。在罩内摄像机的枢转安装确保了摄像机可以任意地瞄准，以获得操作摄像机人员所选择的任意立体角的图像。手动地或者使用铰链吊挂式发动机，摄像机可以被指向瞄准所选择目标或朝着被监视空间的所需立体角的方向。
通常，诸如聚碳酸酯等的材料被用作为透明罩的透明材料。然而，特别是当在水平方向或接近水平方向通过透明罩使摄像机瞄准时，这些聚碳酸酯罩引起摄像机所获图像的色移。因此，取决于摄像机的光轴方向，特别是当获得水平或近水平的视野时，摄像机所获图像的图像质量受到波长的强烈影响。因此，取决于波长以及光轴角度的图像畸变不可避免。
当使用圆柱形状的透明罩，例如包括圆柱部位和球冠的罩时，这些图像畸变相当严重。甚至如JP 2000 156810 A中所描述的球形形状的透明罩也没有完全解决畸变问题。另外，球形形状的透明罩显示出水平视野即平行或接近平行于天花板的视野非常困难的缺点。
发明内容
本发明因此公开一种用于防破坏监视摄像机系统中的透明罩，它消除了现有技术已知的系统的缺点。因此，一种监视摄像机系统被公开，它在保持图像质量在可接受水平的同时，显示出允许沿透明罩摄像机被安装的天花板表面观察的长处。
透明罩包括本身包括内表面和外表面的透明光学材料。外表面基本上绕第一对称轴旋转对称，其中外表面的第一顶点位于第一对称轴上。内表面基本上绕第二对称轴旋转对称，其中内表面的第二顶点位于第二对称轴上。
最好，第一对称轴和第二对称轴是相同的。然而，优选地是第一对称轴和第二对称轴偏移不超过0.1mm，最优选地是不超过0.05mm。另外，优选地是对称轴相对于彼此倾斜不超过2mrad，最优选地不超过1mrad。
光学材料具有基本上环形的安装面，它能被用于安装透明罩到天花板表面或任何其他平坦表面上或到单独安装块上。
根据本发明的透明罩与现有技术已知的透明罩在光学材料的内和外表面的形状上有区别。外表面和内表面都显示非球形形状。
最好，内表面和/或外表面基本上显示出偶多项式函数的形状。最优选地是，这些偶多项式函数次数不超过18，更好不超过16，且最好不超过14。“次数不超过14”被理解为，高于14次的多项式系数比起在两次和十四次之间的多项式系数是可忽略的(举例来说，至少小两个数量级)。最优选地是，四次或更高次的多项式系数(无量纲的)比内和外表面的多项式函数的二次多项式系数小至少三个数量级，最好是小至少四个数量级。
最优选地是，光学材料包括聚—聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和/或聚碳酸酯。最优选地是，光学材料在波长大约540nm具有大约n＝1.65的折射率。有利的是，光学材料制成在光学区内表面和外表面的表面粗糙度都好于3 diamonds，3 diamonds也被表示为P3(根据ISO10110，抛光质量)。在光学区透明罩不应包含模糊部分。
根据本发明的一个优选实施例，光学材料的内表面和外表面被成形为使得透明罩即光学材料具有厚度变化。在下文中光学材料的厚度垂直于透明罩的光学材料的外表面测量。
因此，从第一顶点到环形安装面的厚度变化具有最大值至少为2％的变化(即最大厚度减去最小厚度，除以最大厚度)，最好至少为6％，且更好是8％。取决于光学计算的起点和其他光学设计的约束，最好是厚度变化不超过10％。厚度在第一顶点处可以显示出最大值，最好是总体极大值。另外，光学材料的厚度可以是从第一对称轴到光学材料的外表面上测量点的间隔x的多项式函数。
另外，防破坏监视摄像机系统包括根据上面所公开的实施例之一的透明罩，它还包括被安装在透明罩内的摄像机，如上面所公开的，这个摄像机可以包括光学传感系统(例如，CCD芯片或其他任何成像系统)、以及透镜系统。最优选地是，透镜系统显示总焦距大于15mm。摄像机在透明罩内绕枢转点可枢转地被安装。最好是(但不是必须)，枢转点位于第一或更好是第二对称轴上(如上文所公开的，因此第一和第二对称轴相同)。对于枢转点定位，2mm的公差，最好是1mm的公差是可接受的。因此，枢转点可以位于例如第一和第二对称轴的1mm处。
摄像机的枢转点可以沿第一或第二对称轴偏移或任意选择。最优选地是，枢转点选择在沿第一或第二对称轴的位置，使得枢转点和光学材料的内表面之间的间隔在任何摄像机可达到的方向大体上不变。
因此，枢转点可以按以下方式选择：枢转点和位于内表面上与第一或第二对称轴距离x的位置处的任意点之间的距离是x的函数，其中盖函数的曲线显示最大值在x＝0处。换句话说，从枢转点笔直向下看，枢转点和内表面之间的距离可以是最大值。最优选地是，如上面所指出的，这个最大值是相当“平坦”的最大值，这意味着，对于透明罩内的摄像机可达到的角度，在枢转点和内表面上任意点之间的变化不超过25％，更好的是15％。
使用根据所述实施例之一的透明罩的、上面所公开的摄像机系统，对于焦距长至35mm的透镜和开启至F/2(F是光圈数，因此光圈数＝2)的透镜显示出好的图像质量。大体上如上面所公开的光学罩的壁厚轮廓使超过天花板视野的视角成为可能，例如，95°和更大的视角(第一或第二对称轴与摄像机的观察方向之间的角度)。
对于这些视角，光学性能的变化仍然在容许的数值范围之内。因此，对于这些视角，遍及可获得的视角范围，色移和图像畸变显示出相当小的变化。这就允许例如四点自动柱基识别，诸如使用图像处理例行程序在通过使用根据本发明的透明罩的监视摄像机所获得的图像内检测某些目标。
附图说明
将参考下面给出的图更详细地描述本发明，其中：
图1A到1C显示了防破坏监视摄像机系统的代表性实施例，摄像机瞄准三个不同方向；
图2显示使用于根据图1A到1C的监视摄像机中的透明罩的厚度轮廓；
图3显示作为根据图2的实施例的视角的函数的透明罩的厚度轮廓；和
图4显示根据图2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
在图1A到1C中，描述了能被安装到天花板112的防破坏监视摄像机系统110的优选实施例。监视摄像机系统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，或可例如包括监视摄像机系统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可以被安装在是摄像机128的一部分的摄像机外壳上。摄像机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摄像机系统110还包括摄像机128。该摄像机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中所显示的摄像机128对于本领域技术人员是熟知的。
根据图1A到1C的摄像机128具有光轴134。摄像机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。摄像机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，摄像机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，显示了摄像机128的不同旋转位置。摄像机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，摄像机128从天花板112笔直指向下，角度
等于零。在图1B中，显示的是摄像机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的监视摄像机系统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2中，显示了根据图1A到1C的监视摄像机系统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2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2中，内表面116和外表面118被显示为距离x的函数。在根据图2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2中，显示了在对称轴120上的枢转点136。根据图2，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2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2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
＝70°，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。为了避免在摄像机128旋转过程中摄像机128和透明罩114碰撞，曲线142的最小值位置的知识对于摄像机128的外尺寸的机械设计是个重要因素。
在图3和4中，以两种不同模式显示了根据如图2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3中，厚度(y轴，以mm给出)被显示为对称轴120和图2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4中，厚度垂直于外表面118被测量。
在图4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3中的曲线148和图4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4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3和图4可以看出，都表示光学材料138厚度的曲线148和150分别在
＝0或x＝0处显示最大值。分别在大约＝70°或x＝40mm处，厚度148、150显示最小值。如图3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3和4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。
Claims (15)
1.一种用于防破坏监视摄像机系统(110)的透明罩(114)，包括透明光学材料(138)，透明光学材料(138)包括内表面(116)和外表面(118)，其中外表面(118)绕第一对称轴基本上旋转对称，外表面(118)的第一顶点(122)位于第一对称轴上，内表面(116)绕第二对称轴基本上旋转对称，内表面(116)的第二顶点(124)位于第二对称轴上，第一对称轴和第二对称轴基本上是平行的，且外表面(118)和内表面(116)都具有非球形形状，其特征在于，内表面(116)和外表面(118)被成形为使得在内表面(116)和外表面(118)之间的透明光学材料(138)具有厚度变化，从而使内表面(116)和外表面(118)的形状通过使光学畸变最小被优化。
2.如权利要求1所述的透明罩(114)，其特征在于，外表面(118)基本上具有偶多项式函数o(x)的形状，和/或内表面(116)基本上具有偶多项式函数i(x)的形状。
3.如权利要求2所述的透明罩(114)，其特征在于，多项式函数o(x)，i(x)的次数不超过18。
4.如权利要求2所述的透明罩(114)，其特征在于，多项式函数o(x)，i(x)的次数不超过16。
5.如权利要求2所述的透明罩(114)，其特征在于，多项式函数o(x)，i(x)的次数不超过14。
6.如权利要求2-5任一所述的透明罩(114)，其特征在于，四次或更高次的多项式函数o(x)，i(x)的量纲多项式系数比起多项式函数o(x)，i(x)的二次多项式系数小至少三个数量级。
7.如权利要求2-5任一所述的透明罩(114)，其特征在于，四次或更高次的多项式函数o(x)，i(x)的量纲多项式系数比起多项式函数o(x)，i(x)的二次多项式系数小至少四个数量级。
8.如权利要求1所述的透明罩(114)，其特征在于，在透明罩(114)上的相对厚度变化至少是2％。
9.如权利要求1所述的透明罩(114)，其特征在于，在透明罩(114)上的相对厚度变化至少是6％。
10.如权利要求1所述的透明罩(114)，其特征在于，在透明罩(114)上的相对厚度变化至少是8％。
11.如权利要求1所述的透明罩(114)，其特征在于，在透明罩(114)上的相对厚度变化不超过10％。
12.如权利要求1所述的透明罩(114)，其特征在于，透明光学材料(138)的厚度在第一顶点处具有最大值。
13.如权利要求1所述的透明罩(114)，其特征在于，透明光学材料(138)的厚度是从第一对称轴到光学材料的外表面(118)上测量点的间隔x的多项式函数f(x)。
14.一种防破坏监视摄像机系统(110)，包括如前述权利要求任一所述的透明罩(114)和被安装在透明罩(114)内的摄像机(128)，其中，摄像机(128)可绕枢转点(136)枢转。
15.如权利要求14所述的防破坏监视摄像机系统(110)，其特征在于，枢转点(136)位于第二对称轴上。
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