RU223158U1 - Устройство для широкоугольной видеосъемки с зеркальным объективом - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к устройствам для широкоугольной видеосъемки с зеркальным объективом, и может быть использована для качественной съемки и передачи изображения с широким и легко расширяемым углом обзора. В устройстве для широкоугольной видеосъемки с зеркальным объективом, содержащем панорамное зеркало и датчик сигнала изображения, согласно полезной модели, панорамное зеркало выполнено в виде вогнутого сферического зеркала, выполненного с возможностью формирования действительного перевернутого изображения объекта видеосъемки, формируемого в плоскости датчика сигнала изображения, при этом зеркало обращено отражающей поверхностью в сторону объекта видеосъемки, а датчик сигнала изображения расположен в сферической фокальной поверхности сферического зеркала, при этом активная поверхность датчика обращена в сторону сферического зеркала; предпочтительно, датчик сигнала изображения может быть выполнен с возможностью перемещения по фокальной поверхности сферического зеркала; датчик сигнала изображения может содержать один или несколько датчиков, количество которых выбрано в зависимости от требуемого угла видеосъемки, при этом все датчики расположены в сферической фокальной поверхности сферического зеркала в пределах угла видеосъемки объекта видеосъемки; предпочтительно, датчик сигнала изображения выполнен в виде ПЗС-матрицы. Создано простое устройство для качественной широкоугольной видеосъемки, обеспечивающее возможность регулирования угла видеосъемки.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к устройствам для широкоугольной видеосъемки с зеркальным объективом, работающим в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. Полезная модель может быть использована в оптических системах для качественной съемки и передачи изображения с широким и легко расширяемым углом обзора с использованием простейших оптических элементов, исключая при этом линзовую оптику со свойственными ей хроматическими аберрациями.

Известны панорамные линзовые и зеркально-линзовые системы, например, «Панорамная зеркально-линзовая система с видеокамерой», RU 2335003 С2, опубл. 27.09.2008, содержащая зеркально-линзовую телескопическую систему и датчик сигнала изображения, выполненный в виде видеокамеры; зеркально-линзовая телескопическая система содержит два компонента, расположенные по ходу лучей из пространства объектов видеосъемки на одной оптической оси, причем первый компонент выполнен в виде линзы с выпуклой отрицательной зеркальной поверхностью и прозрачной центральной зоной, второй компонент выполнен в виде линзы с положительной зеркальной поверхностью и обращен к первому компоненту вогнутой прозрачной поверхностью, выходной зрачок зеркально-линзовой телескопической системы совпадает с входным зрачком объектива видеокамеры, расположенной за первым компонентом; при этом фокусное расстояние второго компонента определяется по формуле: f₂'=(1/2)R₁β, где R₁ - радиус выпуклой зеркальной поверхности первого компонента, а β - увеличение телескопической системы.

Недостатками описанной системы являются большие хроматические аберрации из-за использования линзовых оптических элементов, невозможность регулирования угла видеосъемки, сложная конструкция.

Сложность увеличения угла обзора и, соответственно, увеличения числа видеоканалов для синтеза панорамного изображения связаны, в основном, со стоимостью оптической части камеры и объектива - основного элемента, определяющего качество изображения и стоимость камеры. Вместе с тем, в качестве оптических элементов могут быть использованы не только линзы, но и зеркала. Использование зеркальной оптики для получения изображения на светочувствительной поверхности датчика изображения позволяет упростить технику съемки и, в отличие от линзовых объективов, позволяет упростить конструкцию камеры, уменьшить вес объектива, исключить хроматические аберрации на изображении, использовать оптическую часть камеры в качестве общего элемента для более чем одного датчика сигнала изображения.

Известны: Устройство панорамного видеонаблюдения, RU 2574346 С1, опубл. 24.12.1973, а также Система многоракурсного телевидения, RU 2413386 С1, опубл. 27.02.2011, позволяющие осуществить съемку и передачу изображения в широком угле вплоть до круговой панорамы, однако эти решения представляют собой, по существу, мультиплицирование одиночных съемочных элементов с оптическими или голографическими линзами, что значительно повышает сложность и стоимость устройства, не освобождает его от линзовой оптики и существенно увеличивает габариты передающей части системы видеонаблюдения.

Известен широкоугольный зеркальный объектив, SU 393719 A1, опубл. 10.08.1993, содержащий первичное гиперболическое выпуклое и вторичное эллиптическое вогнутое асферические зеркала с уравнением отражающих поверхностей второго порядка, фокусы которых совмещены, при этом в качестве датчика сигнала изображения использована пленка, имеющая центральное отверстие и размещенная в плоскости, совпадающей с плоскостью совмещения фокальных плоскостей зеркал. Угол видеосъемки при его использовании увеличивается до 200 градусов.

Недостатком описанного объектива является ограниченная четкость изображения при широком угле видеосъемки объектива, обусловленная тем, что объектив формирует широкоугольное изображение на площади только одного кадра. Кроме того, объектив с двумя оптически согласованными зеркалами с асферической поверхностью является сложным и дорогим устройством.

Известны способы и устройства видеосъемки объектов, работающие в режиме широкоугольного видеонаблюдения или получения панорамных изображений из отдельных кадров. Они предполагают наличие нескольких видеоканалов с последующей «сшивкой» панорамы, как это предложено, например, в системе объединения нескольких видеоизображений в одно панорамное видеоизображение, RU 2706576 С1, опубл. 19.11.2019. Система содержит видеокамеры, память, графический пользовательский интерфейс, средства ввода и вывода данных, устройство обработки данных; средства ввода и вывода данных содержат блок выбора, блок выделения области интереса, блок отображения; устройство обработки данных сконфигурировано с возможностью: получения нескольких видеоизображений от смежных видеокамер, определенных в блоке выбора; настройки, при которых вычисляются преобразования, необходимые для объединения полученных видеоизображений в одно панорамное видеоизображение, преобразования вычисляются один раз для соответствующих друг другу по времени кадров смежных камер; объединения нескольких видеоизображений в одно панорамное видеоизображение посредством применения вычисленных преобразований для всех остальных кадров, получаемых от смежных видеокамер; отображения полученного панорамного видеоизображения.

Информативность такого изображения зависит от количества исходных видеоканалов съемки, увеличение которых повышает стоимость и сложность системы.

Известен широкоугольный зеркальный объектив кругового обзора, SU 1091100 А, опубл. 07.05.1984, содержащий панорамное зеркало, линзовый объектив и датчик сигнала изображения; панорамное зеркало содержит первичное выпуклое зеркало с центральным отверстием, обращенное выпуклостью в пространство объектов видеосъемки, и вторичное вогнутое зеркало, обращенное вогнутостью в пространство изображений, при этом отражательная поверхность первичного выпуклого зеркала образована вращением ветви кривой уравнения не ниже второго порядка вокруг оси, смещенной относительно ее главной оси симметрии на величину, равную радиусу центрального отверстия. Описанное выполнение зеркал формирует зеркальный конус, вершина которого обращена к объективу, поэтому датчик сигнала изображения формирует и передает изображение в виде круга, содержащего элементы круговой панорамы, окружающей конус.

Описанный широкоугольный зеркальный объектив кругового обзора, имеющий широкий угол видеосъемки, принят в качестве прототипа настоящей полезной модели.

Прототип имеет следующие недостатки:

- ширину угла видеосъемки устройства (360 градусов) невозможно регулировать. Ее можно ограничить, но при этом сформированное изображение объекта видеосъемки будет содержать ненужную информацию;

- из-за использования линзовых оптических элементов возникают хроматические аберрации;

- сложная конструкция.

Задачей настоящей полезной модели является создание простого устройства для качественной широкоугольной видеосъемки, обеспечивающего возможность регулирования угла видеосъемки за счет:

- использования сферического зеркала, обеспечивающего возможность формирования действительного перевернутого изображения объекта видеосъемки и имеющего множество оптических осей, проходящих через геометрический центр зеркала;

- обеспечения возможности установки и/или перемещения датчика сигнала изображения в фокальной поверхности зеркала;

- исключения линзовой оптики со свойственными ей хроматическими аберрациями, что обеспечивает высокое качество съемки и простоту конструкции.

Поставленная задача решается за счет того, что, в устройстве для широкоугольной видеосъемки с зеркальным объективом, содержащем панорамное зеркало и датчик сигнала изображения, согласно полезной модели, панорамное зеркало выполнено в виде вогнутого сферического зеркала, выполненного с возможностью формирования действительного перевернутого изображения объекта видеосъемки, формируемого в плоскости датчика сигнала изображения, при этом зеркало обращено отражающей поверхностью в сторону объекта видеосъемки, а датчик сигнала изображения расположен в сферической фокальной поверхности сферического зеркала, при этом активная поверхность датчика обращена в сторону сферического зеркала.

Предпочтительно, датчик сигнала изображения может быть выполнен с возможностью перемещения по фокальной поверхности сферического зеркала. Датчик сигнала изображения может содержать один или несколько датчиков, количество которых выбрано в зависимости от требуемого угла видеосъемки, при этом все датчики расположены в сферической фокальной поверхности сферического зеркала в пределах угла видеосъемки объекта видеосъемки. При этом предпочтительно, датчик сигнала изображения выполнен в виде ПЗС-матрицы.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели условию патентоспособности «Новизна».

Благодаря реализации совокупности ограничительных и отличительных признаков полезной модели достигается новый технический результат - обеспечена возможность регулирования угла видеосъемки за счет использования в качестве панорамного зеркала вогнутого сферического зеркала.

Выполнение панорамного зеркала в виде вогнутого сферического зеркала, способного формировать в сферической фокальной поверхности действительное перевернутое изображение объекта видеосъемки, расположение датчика сигнала изображения в этой сферической фокальной поверхности и обращение активной поверхности датчика в сторону сферического зеркала, позволяют решить основную задачу оптического узла устройства для видеосъемки, состоящую в получении действительного перевернутого изображения объекта видеосъемки, формируемого в плоскости датчика сигнала изображения.

Выполнение панорамного зеркала в виде вогнутого сферического зеркала, имеющего множество оптических осей, а также выполнение датчика сигнала изображения с возможностью выбора количества датчиков и с возможностью их перемещения по фокальной поверхности сферического зеркала, обеспечивают возможность расширения и регулирования угла видеосъемки. При этом угол видеосъемки, количество видеоканалов для формирования широкоугольного изображения, расположение отдельных кадров изображения в пространстве, а также угловой охват объекта видеосъемки в вертикальном или в горизонтальном направлении, определяются только конфигурацией расположения датчиков сигнала изображения, например, ПЗС матриц, относительно сферического зеркала. При этом эффект формирования широкоугольного изображения может быть реализован либо механическим способом, путем перемещения датчиков по фокальной поверхности сферического зеркала, либо электронным способом, путем управления процессом считывания видеосигнала с датчиков.

Выполнение панорамного зеркала в виде вогнутого сферического зеркала позволяет исключить линзовую оптику со свойственными ей хроматическими аберрациями, что обеспечивает высокое качество видеосъемки и простоту конструкции.

Выполнение датчика изображения в виде ПЗС-матриц, имеющих небольшие размеры и вес, облегчает их размещение и перемещение в фокальной поверхности сферического зеркала, что обеспечивает возможность легко расширять и регулировать угол видеосъемки с использованием простейших оптических операций.

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг. 1 - блок-схема устройства для широкоугольной видеосъемки с зеркальным объективом, на котором обозначены: поз. 1 - сферическое зеркало, поз. 2 - датчик сигнала изображения;

на фиг. 2 - принцип получения изображения расположенного в «бесконечности» объекта видеосъемки в пространстве изображений вогнутого сферического зеркала в виде действительного перевернутого изображения;

на фиг. 3 - пример взаимного расположения датчиков сигнала изображения и сферического зеркала с уменьшенным угловым размером активной площади зеркала;

на фиг. 4 - пример реализации оптической схемы построения устройства для широкоугольной видеосъемки со сферическим зеркалом.

Устройство для широкоугольной видеосъемки с зеркальным объективом содержит панорамное зеркало, выполненное в виде вогнутого сферического зеркала 1, и датчик 2 сигнала изображения. Сферическое зеркало 1 обращено отражающей поверхностью в сторону объекта 3 видеосъемки, расположенного много дальше фокуса зеркала 1 (в бесконечности). Датчик 2 сигнала изображения расположен в сферической фокальной поверхности зеркала 1, его активная поверхность обращена в сторону зеркала 1. Датчик 2 сигнала изображения может содержать один или, преимущественно, несколько датчиков, количество которых выбрано в зависимости от требуемого угла видеосъемки, при этом все датчики расположены в сферической фокальной поверхности зеркала 1 в пределах угла обзора объекта видеосъемки. Датчик 2 может быть выполнен с возможностью перемещения по фокальной поверхности зеркала 1.

В качестве датчика 2 сигнала изображения может быть использован любой электронный прибор, способный формировать электрический видеосигнал или сигнал изображения при проекции оптического изображения на его светочувствительную рабочую поверхность, см. например, Пресс Ф.П., Фоточувствительные приборы с зарядовой связью, М., 1991, 264с [2], а также Шурыгина В., КМОП- и ПЗС-датчики изображения. Впереди светлое будущее. Журнал "ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес", 2009, №3, с. 32-39 [3]. Предпочтительно используют полупроводниковые датчики сигнала изображения, например, ПЗС-матрицы, которые имеют небольшие размеры и вес. В конкретном примере датчик 2 сигнала изображения выполнен в виде ПЗС-матрицы типа ICX259AL-E.

Вогнутое сферическое зеркало 1 имеет следующие характерные точки: центр C кривизны; полюс P - средняя точка имеющейся части сферической поверхности зеркала 1; главная оптическая ось зеркала - нормаль к зеркалу 1, проходящая через его центр С и полюс Р; фокус F - точка, в которой пересекутся после отражения в зеркале лучи, параллельные его главной оси (для бесконечно удаленного объекта видеосъемки фокус расположен посередине между центром C и полюсом P, см. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики, Том 3, 1985, стр. 253 [1]).

Вогнутое сферическое зеркало 1 имеет множество оптических осей, проходящих через центр С зеркала. Нормаль к зеркалу 1, проходящая через центр С зеркала и через его полюс Р, называется главной оптической осью зеркала. Нормали к зеркалу 1, проведенные в других точках его поверхности и также проходящие через центр С зеркала, называются побочными оптическими осями. Все оптические оси зеркала равноправны, и выделение главной оптической оси среди побочных не является существенным, см. [1], стр. 251-252.

Если объект видеосъемки находится много дальше фокуса вогнутого сферического зеркала, то его изображение получается действительным перевернутым уменьшенным, см. [1], стр. 258.

Изображения бесконечно удаленных объектов всегда лежат в фокусе зеркала, и набор точек фокуса для параллельных лучей, поступающих на зеркало с разных направлений, образует сферическую фокальную поверхность, см. [1], стр. 253.

Таким образом, в сферической фокальной поверхности зеркала 1 формируется действительное перевернутое изображение объекта 3 видеосъемки. Расположение светочувствительной активной поверхности датчика 2 сигнала изображения в сферической фокальной поверхности зеркала 1, т.е. непосредственно в области формирования действительного изображения объекта 3 видеосъемки, позволяет получить видеосигнал.

Видеосъемку объекта 3 видеосъемки осуществляют следующим образом.

Снимают объект 3 видеосъемки, расположенный много дальше фокуса F зеркала 1 (в бесконечности).

Вогнутое сферическое зеркало 1 создает действительное перевернутое изображение объектов 3 видеосъемки в виде широкоугольного видеосигнала с углом охвата заданной ширины. Датчик 2 изображения, например, в виде ПЗС-матрицы, один или в количестве, определяемом требуемым расширением или конфигурацией угла видеосъемки, устанавливают в фокальной поверхности сферического зеркала 1 с условием возможно лучшего совпадения активной поверхности датчика 1 со сферической фокальной поверхностью зеркала 1.

Свет от объекта 3 видеосъемки поступает на вогнутое сферическое зеркало 1, формирующее действительное перевернутое изображение объекта 3 видеосъемки в сферической фокальной поверхности. Датчик 2 сигнала изображения, расположенный в сферической фокальной поверхности зеркала 1, формирует сигнал изображения в виде видеосигнала.

Регулирование угла видеосъемки осуществляют путем изменения количества датчиков 2 сигнала изображения, установленных в фокальной поверхности сферического зеркала 1. Увеличение количества датчиков 2 означает увеличение угла приёма световых лучей в области объектов видеосъемки и, тем самым, расширение угла видеосъемки в пределах угла обзора объекта 3 видеосъемки, причем расширение угла возможно в любом направлении, а не только по горизонтали. Эффект панорамирования может быть реализован либо механическим способом, путем перемещения датчиков 2 по фокальной поверхности сферического зеркала 1, либо электронным способом, путем управления процессом считывания видеосигнала с датчиков 2.

На Фиг. 2 показан принцип получения изображения пространственно протяженного объекта 3 видеосъемки, расположенного в «бесконечности», в пространстве изображений вогнутого сферического зеркала 1 в виде действительного перевернутого изображения. Видно, что объект ABDE отображается в пространстве изображений сферического зеркала 1 в виде действительного перевернутого изображения A'B'D'E', и распределение световой энергии в этом изображении может быть зафиксировано датчиком 2 сигнала изображения, например, ПЗС-матрицей.

На Фиг. 3 представлен пример взаимного расположения датчиков 2 сигнала изображения и сферического зеркала 1 с уменьшенным угловым размером активной площади зеркала 1. Показан случай попадания на сферическое зеркало 1 световых лучей, приходящих с четырех направлений от бесконечно удаленных объектов 3 видеосъемки, при этом лучи фокусируются в точках F1 - F4, лежащих в фокальной поверхности зеркала 1. В фокальной поверхности расположены датчики 2 сигнала изображения, например, в виде ПЗС-матриц. Хотя угол обзора в этом варианте не может составлять 360 градусов, но он может быть расширен путем увеличения количества датчиков 2 сигнала изображения в фокальной поверхности зеркала 1 в вертикальном или горизонтальном направлении.

Угловой размер активной (используемой) части сферического зеркала 1 выбирается как компромисс между качеством фокусировки изображения на ПЗС-матрице 2, т.е. четкостью изображения, с одной стороны, и светосилой - с другой стороны.

На Фиг. 4 представлен пример реализации оптической схемы построения устройства для широкоугольной видеосъемки со сферическим зеркалом.

Предлагаемое устройство для широкоугольной видеосъемки с зеркальным объективом обладает существенным преимуществом в виде удобства адаптации к условиям видеосъемки, т. к. угол его обзора, количество видеоканалов для формирования панорамного изображения, расположение отдельных кадров изображения в пространстве, а также угловой охват объекта видеосъемки в вертикальном или в горизонтальном направлении, определяются только конфигурацией расположения датчиков сигнала изображения, например, ПЗС матриц, относительно сферического зеркала.

Однако активная поверхность датчика сигнала изображения плоская, а не сферическая, и это обстоятельство приводит к аберрации, к так называемой, кривизне поля изображения. Тем не менее, применение сферического зеркала для широкоугольной видеосъемки допустимо и окупаемо, благодаря значительному конструктивному упрощению конструкции устройства, а также в силу следующих причин:

статистическое большинство объектов видеосъемки находится «в бесконечности», т.е. на расстоянии, несоизмеримо большем размера устройства видеосъемки, поэтому для удаленных объектов и близком к описанному режиме работы световые лучи от объекта видеосъемки приближаются к параллельным. При этом выполняется условие параксиальности и считается, что вносимые зеркалом аберрации считаются допустимыми, см. Максутов Д.Д., Астрономическая оптика. - Л., Наука, 1979, стр. 183 [4];

возникновение аберрации в виде кривизны поля изображения и других видов искажений можно скорректировать, например, путем уменьшения углового размера зеркала относительно датчиков сигнала изображения, т. к. улучшение фокусировки изображения происходит при этом благодаря уменьшению угла при вершине конуса лучей, идущих от сферического зеркала и образующих каждую точку изображения на поверхности датчика [4].

Рассмотренные источники искажений изображения, формируемого сферическим зеркалом, несколько снижают качество изображения, однако современные тенденции развития съемочной техники допускают снижение качества изображения в обмен на простоту и дешевизну устройства.

Для реализации полезной модели используются обычные конструкционные материалы и оборудование, что обусловливает, по мнению заявителя, соответствие заявленной полезной модели условию патентоспособности «Промышленная применимость».

Claims (3)

1. Устройство для широкоугольной видеосъемки с зеркальным объективом, содержащее панорамное зеркало и датчик сигнала изображения, отличающееся тем, что панорамное зеркало выполнено в виде вогнутого сферического зеркала, выполненного с возможностью формирования действительного перевернутого изображения объекта видеосъемки, формируемого в плоскости датчика сигнала изображения, выполненного с возможностью выбора количества датчиков и с возможностью их перемещения по фокальной поверхности сферического зеркала, при этом зеркало обращено отражающей поверхностью в сторону объекта видеосъемки, а датчик сигнала изображения расположен в сферической фокальной поверхности сферического зеркала, при этом активная поверхность датчика обращена в сторону сферического зеркала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик сигнала изображения содержит один или несколько датчиков, количество которых выбрано в зависимости от требуемого угла видеосъемки, при этом все датчики расположены в сферической фокальной поверхности сферического зеркала в пределах угла видеосъемки объекта видеосъемки.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что датчик сигнала изображения выполнен в виде ПЗС-матрицы.