專利名稱：透鏡結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)透鏡，更具體地涉及攝像機(jī)系統(tǒng)的透鏡。本發(fā)明尤 其適于用在使用了非常小的"針孔"攝像機(jī)透鏡的隱蔽監(jiān)視攝像機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
針孔透鏡因其尺寸小而非常實(shí)用，典型透鏡的直徑僅為幾毫米，使 得這種透鏡能夠免于被發(fā)現(xiàn)。通常將針孔攝像機(jī)隱藏在墻壁或其他遮擋 物后面，在該遮擋物中鉆出小孔(稱為針孔)以使得能夠秘密地觀察和
監(jiān)視場景。在本說明書中，針孔被限定為直徑2毫米或更小的孔。這些 已知透鏡的缺點(diǎn)在于需要物理光圈(physical stop)來限制能夠經(jīng)過它而 照射到圖像捕獲單元(例如，膠片或傳感器或人眼)上的光束。對(duì)于上 述針孔透鏡而言，物理光圈通常必須要凸出到墻壁內(nèi)的孔中以提供可接 受的圖像質(zhì)量并減少漸暈，這明顯增加了監(jiān)測的風(fēng)險(xiǎn)(見圖1)。為了獲 得有用的圖像，還必須精確地控制透鏡與物理光圈之間的距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種不需要常規(guī)物理光圈來限制穿過透鏡的光束的 透鏡結(jié)構(gòu)來克服現(xiàn)有技術(shù)中的這些難題。這一點(diǎn)是通過制造這樣一種透 鏡結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，該透鏡結(jié)構(gòu)特別適于透過針孔來觀察從而針孔本身用 來限制可能進(jìn)入透鏡的光束，從而不再需要常規(guī)物理光圈。這樣，本發(fā) 明就克服了本領(lǐng)域中規(guī)定的為了獲得滿意的結(jié)果必須使用常規(guī)物理光圈 的強(qiáng)烈的技術(shù)偏見。
此外，在己知的透鏡結(jié)構(gòu)中，物理光圈的位置對(duì)所實(shí)現(xiàn)的圖像質(zhì)量 至關(guān)重要。物理光圈的任何移位都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的光學(xué)像差和圖像劣化。 為此，已知系統(tǒng)使用了與透鏡結(jié)構(gòu)一體化的物理光圈，使得其光學(xué)位置保持固定。本發(fā)明提供了一種相對(duì)來說對(duì)物理光圈的位置不敏感的透鏡 結(jié)構(gòu)，使得能夠由針孔本身來實(shí)現(xiàn)物理光圈的功能，而不會(huì)出現(xiàn)可識(shí)別 的圖像質(zhì)量損失。因此，本發(fā)明表現(xiàn)出與公知技術(shù)手段顯著的區(qū)別，并 降低了與透鏡系統(tǒng)相關(guān)的復(fù)雜度和成本。
不設(shè)置常規(guī)物理光圈意味著能夠有效地隱藏?cái)z像機(jī)和透鏡結(jié)構(gòu)，而 無需凸出到遮擋物內(nèi)的孔中。實(shí)際上可以相對(duì)于遮擋物內(nèi)的孔退后設(shè)置
整個(gè)攝像機(jī)組件，這顯著降低了該裝置通過常規(guī)手段(例如，利用手電
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因此，本發(fā)明提供了一種適于透過針孔來觀察的透鏡結(jié)構(gòu)，該透鏡 結(jié)構(gòu)包括無需常規(guī)物鏡即可使用的會(huì)聚目鏡型透鏡裝置，并且被設(shè)置為 使得該透鏡結(jié)構(gòu)向超出該透鏡結(jié)構(gòu)的第一端的物體空間中的點(diǎn)投射"虛 擬"孔徑，所述第一端是該透鏡結(jié)構(gòu)的最靠近被觀察對(duì)象的一端，從而 虛擬孔徑限制了進(jìn)入該透鏡結(jié)構(gòu)的光束，其中該透鏡結(jié)構(gòu)不包含一體形 成的物理光圈。
在常規(guī)目鏡中，出射光瞳位于目鏡透鏡的后面從而限定可以從系統(tǒng)
中出射的光量。然而，在本發(fā)明中，將出射光瞳顛倒位置(reverse)以 使得原出射光瞳位于透鏡的前面，充當(dāng)入射光瞳并限制可以進(jìn)入該系統(tǒng) 的光量。
因此有利的是，本發(fā)明提供的這種透鏡結(jié)構(gòu)可以用在監(jiān)視攝像機(jī)中。 當(dāng)利用常規(guī)透鏡透過孔來觀察物體時(shí)，主要的問題在于如果孔遠(yuǎn) 小于透鏡，則透鏡生成的像存在嚴(yán)重的漸暈現(xiàn)象。此外，如果為了實(shí)現(xiàn) 隱蔽監(jiān)視需要將透鏡結(jié)構(gòu)相對(duì)于孔后退設(shè)置或因?yàn)闊o法將透鏡頂?shù)每拷?該孔，或者如果孔本身相對(duì)較深，則漸暈現(xiàn)象會(huì)顯著增強(qiáng)。在本說明書 中，將透鏡結(jié)構(gòu)相對(duì)于墻壁后退設(shè)置的距離稱為"隙距(stand-off distance)",并且被定義為透鏡結(jié)構(gòu)與孔的最靠近被觀察對(duì)象的一端的距 離。
本發(fā)明利用新穎的透鏡結(jié)構(gòu)解決了現(xiàn)有技術(shù)中的那些問題，該透鏡 結(jié)構(gòu)與會(huì)聚望遠(yuǎn)鏡目鏡類似，不同之處是目鏡結(jié)構(gòu)被顛倒位置，從而觀 察物體所通過的孔被設(shè)置在眼鏡通常所處的位置。公知的是，望遠(yuǎn)鏡可以在"物空間"中聚焦位于望遠(yuǎn)鏡透鏡結(jié)構(gòu)前 方的物體，從而生成要在該透鏡結(jié)構(gòu)后方的"像空間"中看到的像。由 于這種望遠(yuǎn)鏡中使用的目鏡透鏡裝置總是與物鏡一起使用來盡可能多地 捕捉光，因此該目鏡透鏡裝置不需要物理光圈。該物鏡包括用于限制可 能進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡中的光束的物理光圈并因此調(diào)節(jié)進(jìn)入目鏡中的光。目鏡是 一種固定焦距透鏡，它在物理光圈設(shè)定的邊界內(nèi)投射物體的實(shí)像以在望 遠(yuǎn)鏡后面的特定距離處的像空間內(nèi)形成出射光瞳。該距離被稱為良視距
(eye relief)。然后使眼睛位于該出射光瞳處來觀察物體。只有經(jīng)過該出 射光瞳的光線才能夠從系統(tǒng)中出射。
通過使該目鏡透鏡裝置顛倒位置，出射光瞳變?yōu)橐环N朝向目鏡透鏡 裝置前方被投射到物空間內(nèi)達(dá)"良視距"距離的"虛擬"孔徑。因此， 該虛擬孔徑限定了可以進(jìn)入目鏡透鏡裝置的光量。本發(fā)明通過確保"良 視距"距離大致等于該透鏡結(jié)構(gòu)與針孔的最靠近觀察對(duì)象的一端之間的 距離(隙距)來利用這種透過遮擋物中的針孔進(jìn)行觀察的透鏡結(jié)構(gòu)。這 樣，由向前投射到物空間內(nèi)的虛擬孔徑而非針孔本身來限制進(jìn)入系統(tǒng)的 光束，因此克服了通常在使用透鏡透過針孔進(jìn)行觀察時(shí)體驗(yàn)到的漸暈現(xiàn) 象。
可用來提供本發(fā)明所需的虛擬孔徑的目鏡透鏡裝置有四種基本類 型。它們?yōu)槔匪沟?Ramsden)目鏡，其包括兩個(gè)正單透鏡組件；克 耳納(Kellner)目鏡，其包括一個(gè)雙膠透鏡和一個(gè)單透鏡，且該雙膠透 鏡的凸部(crown)面對(duì)該單透鏡；Delaboume目鏡，它是一種包括凸部 組件彼此相對(duì)的兩個(gè)雙膠透鏡的對(duì)稱透鏡；以及艾爾弗(Erfle)目鏡， 其包括被兩個(gè)具有面對(duì)的凸部組件的兩個(gè)雙膠透鏡夾在中間的強(qiáng)雙凸單 透鏡。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，可以使用能夠得到上述虛擬孔徑的任意透鏡 裝置來構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的透鏡結(jié)構(gòu)。
事實(shí)上，所選的實(shí)際光學(xué)組件取決于所要求的視場。例如，對(duì)于窄 視場而言，有利的是，可以使用拉姆斯登目鏡的變形來最小化透鏡結(jié)構(gòu) 的尺寸，然而，在要求較寬視場時(shí)，克耳納目鏡和艾爾弗目鏡應(yīng)該更為 合適。還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)有技術(shù)中使用的目鏡透鏡裝置尚未被設(shè)計(jì)為獨(dú)立 型裝置，因此是利用像差設(shè)計(jì)的以補(bǔ)償望遠(yuǎn)鏡的物鏡所引入的像差。由 于本發(fā)明沒有使用傳統(tǒng)的物鏡，因此沒必要進(jìn)行這種補(bǔ)償，所以在本發(fā) 明中使用目鏡透鏡裝置之前需要對(duì)其進(jìn)行改動(dòng)。
作為示例而非對(duì)于本發(fā)明的一般性的限制，現(xiàn)在來描述制造根據(jù)本 發(fā)明的透鏡結(jié)構(gòu)的多個(gè)可能方法。在以下的說明書中，透鏡結(jié)構(gòu)的"第 一端"被定義為最靠近被觀察物體的一端，而該透鏡結(jié)構(gòu)的"第二端" 是相對(duì)端，即最靠近圖像捕獲單元的一端。
如前所述，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的透鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)組件的選擇取決于所 期望的視場。
可以通過在可能被描述為顛倒攝遠(yuǎn)目鏡的構(gòu)造中僅利用兩個(gè)光學(xué)組 件(一個(gè)位于透鏡結(jié)構(gòu)的第一端處的正透鏡和一個(gè)位于第二端處的負(fù)透 鏡)來形成約12度的視場。在本實(shí)施方式的優(yōu)選構(gòu)造中，第一正透鏡為 雙凸透鏡，第二負(fù)透鏡為雙凹透鏡。
這種透鏡結(jié)構(gòu)可以有益地被設(shè)計(jì)為以2.5mm的最佳隙距、位于針孔 后約lmm直徑處工作；并且在優(yōu)選實(shí)施方式中，該透鏡結(jié)構(gòu)的長度小于 5mm，有效焦距約為30mm，因此將工作在F/30附近。 圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方式的透鏡結(jié)構(gòu)。 還可以通過使用僅包括兩個(gè)光學(xué)組件的透鏡結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高達(dá)約25 度的更寬視場。在該實(shí)施方式中，透鏡結(jié)構(gòu)可以有利地包括位于該透鏡 結(jié)構(gòu)的第一端處的一個(gè)正透鏡(例如，雙凸透鏡)，其后跟著一個(gè)位于第 二端處的彎月型厚透鏡。該彎月型透鏡充當(dāng)視場致平器，用于在圖像捕 獲單元處提供平整的像平面并因此改善像質(zhì)。該彎月型透鏡還有助于校 正任何像散。
這種透鏡結(jié)構(gòu)可以有益地被設(shè)計(jì)為以約4mm的最佳隙距、位于針孔 后約lmm直徑處工作；并且在該透鏡結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實(shí)施方式中，透鏡結(jié)構(gòu) 長度小于4mm，有效焦距約為14mm，因此將工作在F/14附近。 圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方式的透鏡結(jié)構(gòu)。 上述兩個(gè)透鏡結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為是從反向拉姆斯登目鏡演進(jìn)來的；然而，應(yīng)該清楚的是，由于拉姆斯登目鏡僅包括兩個(gè)正透鏡，因此有必要 進(jìn)行一些改動(dòng)來實(shí)現(xiàn)期望的性能。
可以通過使用略為復(fù)雜一些的透鏡結(jié)構(gòu)(包括三個(gè)光學(xué)組件，兩個(gè) 正單透鏡組件和位于它們之間的一個(gè)負(fù)單透鏡)來實(shí)現(xiàn)高達(dá)約40度的更 寬視場。該構(gòu)造的優(yōu)選實(shí)施方式包括位于該透鏡結(jié)構(gòu)的第一端處的單雙 凸透鏡，其后跟著單雙凹透鏡，接著是位于該透鏡結(jié)構(gòu)的第二端處的單 正彎月型透鏡?？梢詫⒃摌?gòu)造視為反向克耳納目鏡的演進(jìn)，但是由于通
常的雙透鏡(doublet)被分割成了兩個(gè)單透鏡(singlet)，因此其偏離了 克耳納目鏡的經(jīng)典形狀。這使得能夠利用中心負(fù)透鏡的陡峭凹面來校正 場曲問題從而使場平衡，并且該組件與最后的正透鏡的組合還用來校正 像散。
這種透鏡結(jié)構(gòu)可以有益地被設(shè)計(jì)為以約2.5mm的最佳隙距、位于針 孔后約lmm直徑處工作；并且在優(yōu)選實(shí)施方式中，該透鏡結(jié)構(gòu)的長度小 于約5mm，有效焦距約為8.5mm，因此將工作在F/8.5附近。 圖4中示出了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方式的透鏡結(jié)構(gòu)。 為了實(shí)現(xiàn)高達(dá)約50度的視場，可以使用包括被兩個(gè)單透鏡夾在中間 的雙合透鏡的透鏡結(jié)構(gòu)。該透鏡結(jié)構(gòu)可以被視為反向克耳納目鏡的演進(jìn)， 但是在這種情況下，偏離了反向克耳納目鏡的經(jīng)典形狀，其后方添加了 形式為單個(gè)彎月型透鏡組件的視場致平器。這是有利的，因?yàn)橐晥鲋缕?器可用于校正場曲并平衡像散。這種類型的透鏡結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實(shí)施方式包 括位于該透鏡結(jié)構(gòu)的第一端處的相對(duì)較厚的負(fù)彎月型透鏡，該透鏡用 于更大程度上控制隙距；其后是凸部組件面向該透鏡結(jié)構(gòu)的第一端的消 色差雙透鏡，用以校正殘余橫向色差；以及位于該透鏡結(jié)構(gòu)的第二端處 的正單彎月型透鏡，用作視場致平器，在像平面處提供更平整的像。
這種透鏡結(jié)構(gòu)可以有益地被設(shè)計(jì)為以約3mm的最佳隙距、位于針孔 后約lmm直徑處工作；并且在優(yōu)選實(shí)施方式中，該透鏡結(jié)構(gòu)的長度約為 9.5mm，有效焦距約為6.5mm，因此將工作在F/6.5附近。 圖5中示出了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方式的透鏡結(jié)構(gòu)。 還可以通過利用這樣的透鏡結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高達(dá)約60度的視場，該透鏡結(jié)構(gòu)包括位于該透鏡結(jié)構(gòu)的第一端處的雙合透鏡，其后跟著正單透鏡組 件(例如，強(qiáng)雙凸透鏡)，以及位于該透鏡結(jié)構(gòu)的第二端處的三合透鏡。 該結(jié)構(gòu)可以被稱為是反向艾爾弗型目鏡的演進(jìn)，但是偏離了經(jīng)典形狀， 向最后的雙合透鏡添加了另一組件從而形成三合透鏡。這使得能夠校正 橫向色差問題和像散隨波長的變化。在這種構(gòu)造的優(yōu)選實(shí)施方式中，有 利的是，位于該透鏡結(jié)構(gòu)的第一端處的雙合透鏡形成為厚的、負(fù)彎月型 透鏡，這有助于保持該透鏡結(jié)構(gòu)對(duì)隙距的改變的耐受性。
這種透鏡結(jié)構(gòu)可以有益地被設(shè)計(jì)為以約2mm的隙距、位于針孔后約 lmm直徑處工作；并且在優(yōu)選實(shí)施方式中，透鏡結(jié)構(gòu)的長度約為10mm， 有效焦距約為5mm，因此將工作在F/5附近。
圖6中示出了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方式的透鏡結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該理解的是，還可能存在根據(jù)本發(fā)明的透鏡結(jié)構(gòu)的許多其他構(gòu)造 并且可以實(shí)現(xiàn)許多不同的視場。已知目鏡的為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而必須保留 的唯一要素是在該透鏡結(jié)構(gòu)的前方形成虛擬孔徑。
實(shí)際上，由于在該透鏡結(jié)構(gòu)的前方形成了虛擬孔徑，本發(fā)明甚至能 夠在不需要利用針孔作為物理光圈的情況下生成有用的像。這意味著可 以在無需物理光圈的情況下獲得像。
如果從常規(guī)透鏡結(jié)構(gòu)中去除物理光圈，光就會(huì)從各個(gè)方向進(jìn)入透鏡， 從而導(dǎo)致太多的光被發(fā)射到圖像捕獲單元(例如，傳感器或膠片)。于是， 圖像捕獲單元將無法應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的光，從而導(dǎo)致很差的圖像分辨率。 然而，由于本發(fā)明通過穿過虛擬孔徑來限制光束而克服了該問題，使得 能夠形成滿意的圖像。
在未透過孔進(jìn)行觀察時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的透鏡結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的像質(zhì)對(duì)于 多種用途(例如，安全攝像頭)是可以接受的，并且盡管不設(shè)置物理光 圈的確會(huì)由于容許亮度級(jí)增加而產(chǎn)生一些像質(zhì)損失，但是應(yīng)該清楚的是， 技術(shù)(尤其是數(shù)字傳感器領(lǐng)域的技術(shù))的進(jìn)步會(huì)不斷降低該問題的嚴(yán)重 性。
由于這種新穎的透鏡結(jié)構(gòu)能夠摒除常規(guī)上一體形成的物理光圈，所 以本發(fā)明提供了非常緊湊、高質(zhì)量的成像透鏡，該成像透鏡可以理想地用于透過小孔進(jìn)行觀察。此外，不設(shè)置物理光圈降低了透鏡結(jié)構(gòu)的復(fù)雜 度以及需要的組件數(shù)量，從而降低了與系統(tǒng)相關(guān)的成本。
然而，即使使用虛擬孔徑來應(yīng)對(duì)上述的漸暈現(xiàn)象，常規(guī)的透鏡結(jié)構(gòu) 也只有當(dāng)針孔本身為邊緣平滑的正圓并且只有當(dāng)被形成有該孔的遮擋物 很薄的情況下才能在通過針孔觀察時(shí)獲得質(zhì)量較好的圖像。如果未對(duì)這 些屬性進(jìn)行充分控制，則所得圖像將會(huì)嚴(yán)重劣化。
此外，盡管在實(shí)體遮擋物中使用針孔為物理光圈提供了改善像質(zhì)的 潛力，但是由于遮擋物沒有以任何方式連接到透鏡上，因此其結(jié)合常規(guī) 透鏡結(jié)構(gòu)的使用將很大程度上取決于透鏡的準(zhǔn)確定位。因此在公知系統(tǒng) 中，必須仔細(xì)地控制透鏡結(jié)構(gòu)的隙距以最小化由于一個(gè)或多個(gè)透鏡引起 的光學(xué)像差。在這些系統(tǒng)中，即使隙距發(fā)生相對(duì)較小的變化像質(zhì)也會(huì)急 劇下降，因此，如果錯(cuò)誤地安裝透鏡，就會(huì)產(chǎn)生很大程度的像差，從而 使得所得到的圖像不可用。
這在通常需要在可能具有很差邊緣質(zhì)量的簡單鉆孔后面快速安裝光 學(xué)設(shè)備的監(jiān)視應(yīng)用中顯然是一個(gè)主要缺點(diǎn)。
本發(fā)明通過以下手段來克服現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題使用虛擬孔徑
并通過對(duì)透鏡進(jìn)行超裕度設(shè)計(jì)(overdesign)以減少光學(xué)像差，從而增加 透鏡系統(tǒng)對(duì)隙距變化和針孔不完美的耐受性。該超裕度設(shè)計(jì)包括使用具 有較大直徑的透鏡使得透鏡結(jié)構(gòu)投射大于遮擋物中的孔徑的虛擬孔徑。
增加透鏡直徑的作用是使得光束經(jīng)過透鏡的相對(duì)更靠近光軸的環(huán)形 區(qū)，這減小了光束所經(jīng)過的透鏡的曲率，從而減少了所產(chǎn)生的光學(xué)像差 的數(shù)量和大小。本發(fā)明用于減少所有像差，但是在減少球差和彗差方面 尤其有效。超裕度設(shè)計(jì)給透鏡帶來了較大的工作區(qū)域，這意味著透鏡可 以遠(yuǎn)離針孔的方向向后移動(dòng)，而不會(huì)導(dǎo)致所產(chǎn)生的像差的明顯增加。這 降低了相機(jī)系統(tǒng)對(duì)不當(dāng)安裝或透鏡相對(duì)于針孔移動(dòng)的敏感度，從而增大 了獲得可用圖像的機(jī)會(huì)。這是因?yàn)樵黾油哥R直徑使得透鏡結(jié)構(gòu)的最佳隙 距增大，從而減少了由設(shè)備的特定安裝誤差所導(dǎo)致的百分?jǐn)?shù)誤差。
當(dāng)透鏡處于離針孔最近的位置時(shí)，沒有用到透鏡所增加的面積并且 對(duì)所獲得的像沒有影響。然而，曲率的減小的確導(dǎo)致了入射光的折射程度降低，因此可能需要一系列的透鏡組合來實(shí)現(xiàn)期望的焦距。另選的是， 可以使用折射率較高的材料。
透鏡的超裕度設(shè)計(jì)的特征還在于得到了這樣的透鏡結(jié)構(gòu)，即，由該 透鏡結(jié)構(gòu)投射的虛擬孔徑大于該透鏡結(jié)構(gòu)透過其進(jìn)行觀察的針孔的尺 寸。這意味著即使透鏡結(jié)構(gòu)的安裝誤差導(dǎo)致針孔比預(yù)期尺寸要大或者如 果透鏡結(jié)構(gòu)沒有位于理想的隙距處，該透鏡仍能夠捕獲所有經(jīng)過針孔的 光。
通過利用根據(jù)本發(fā)明的透鏡的超裕度設(shè)計(jì)，可以在0.5mm和10mm 之間的隙距范圍內(nèi)容易地獲得有用圖像。對(duì)于隙距變化的耐受量隨著虛 擬孔徑的尺寸增加而增加，并且該尺寸僅受到空間局限性和成本的限制。
有利的是，虛擬孔徑的直徑可以被超裕度設(shè)計(jì)為針孔直徑的1到5 倍的范圍內(nèi)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，虛擬孔徑的直徑至少應(yīng)是透鏡結(jié)構(gòu)希 望透過其進(jìn)行觀察的孔直徑的1.5倍。
因此本發(fā)明提供了一種可以在很大范圍的遮擋物厚度上有效工作并 且可以容易地成比例增大或減小以適應(yīng)不同的針孔直徑的透鏡結(jié)構(gòu)。優(yōu) 選的是，針孔的直徑應(yīng)小于2mm，但是本發(fā)明可以應(yīng)用于更大的孔。使 用本發(fā)明的該實(shí)施方式的例子是秘密設(shè)置在墻壁內(nèi)的針孔后面的監(jiān)視攝 像機(jī)。
現(xiàn)在將參照附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說明，其中透鏡結(jié)構(gòu) 使用在置于遮擋物內(nèi)的針孔后面的針孔攝像機(jī)中。


圖1示出了以物理光圈(4)凸入到針孔中的方式隱藏在遮擋物(3) 內(nèi)的針孔(2)后面的公知監(jiān)視攝像機(jī)(1)。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)化為12度視場并位于遮擋物內(nèi)的針孔 后的透鏡結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方式。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)化為25度視場并位于遮擋物內(nèi)的針孔 后的透鏡結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方式。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)化為40度視場并位于遮擋物內(nèi)的針孔后的透鏡結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方式。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)化為50度視場并位于遮擋物內(nèi)的針孔
后的透鏡結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方式。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)化為65度視場并位于遮擋物內(nèi)的針孔 后的透鏡結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式
應(yīng)該理解的是，以下內(nèi)容只是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的例子，而絕 不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的范圍的限制。
參照?qǐng)D5，根據(jù)本發(fā)明的透鏡結(jié)構(gòu)(1)被設(shè)置在墻壁(3)中鉆出 的直徑約為lmm的針孔(2)后的隙距處，使得能夠捕獲目標(biāo)對(duì)象(4) 的像。所示的入射光(5)經(jīng)過透鏡結(jié)構(gòu)(1)并聚焦在光學(xué)傳感器(6) 上。透鏡結(jié)構(gòu)(1)被最優(yōu)化為向物空間內(nèi)與隙距(S)相等的距離處投 射虛擬孔徑，從而限制進(jìn)入該設(shè)備的光束并減少由針孔(2)導(dǎo)致的漸暈 現(xiàn)象。
本發(fā)明的該實(shí)施方式的透鏡結(jié)構(gòu)與針孔(2)之間的額定隙距(S) 約為3mm，該系統(tǒng)的總長度(或"行程(throw)")約為16.5mm。然而， 實(shí)際上隙距(S)可以為2mm和6mm之間的任意距離，而不會(huì)出現(xiàn)任何 明顯的像質(zhì)損失。這是因?yàn)橥哥R的超裕度設(shè)計(jì)，該超裕度設(shè)計(jì)使得由透 鏡結(jié)構(gòu)(1)投射的虛擬孔徑約為透鏡在額定隙距(即，3mm)處所需尺 寸的1.5倍。
該實(shí)施方式中的透鏡結(jié)構(gòu)(1)被最優(yōu)化為提供50度的視場，并且 包括被兩個(gè)單透鏡組件(8和9)夾在中間的雙合透鏡組件(7);最靠近 要觀察物體的單透鏡(8)包括負(fù)彎月型透鏡，而最靠近圖像捕獲單元的 單透鏡(9)包括正彎月型透鏡。雙合透鏡(7)的凸部組件面向第一彎 月型透鏡(8)。透鏡結(jié)構(gòu)(1)的焦距為6.5mm，因此當(dāng)透鏡結(jié)構(gòu)(1) 位于lmm的針孔的后面時(shí)，該透鏡結(jié)構(gòu)具有F/6.5的光速(optical speed)。 如果未使用針孔(2)或墻壁(3)，則由于反向目鏡型透鏡構(gòu)造產(chǎn)生的虛 擬孔徑所導(dǎo)致的光束限制，透鏡結(jié)構(gòu)自然工作在F/5-F/8之間。試驗(yàn)表明，根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方式的設(shè)備具有僅10%的圖像失真
并且在80c/mm下給出約0.61MTF的分辨率。
在透鏡的焦平面處設(shè)置有光學(xué)傳感器(6)(這里為1/3英寸CCD) 以使得能夠記錄靜態(tài)或運(yùn)動(dòng)圖像。這些圖像可本地記錄或以公知的方式 發(fā)送給例如位于停在受監(jiān)視的建筑物外面的車輛中的遠(yuǎn)程接收站。
為了進(jìn)一步降低監(jiān)視攝像機(jī)被發(fā)現(xiàn)的可能性，該透鏡結(jié)構(gòu)還可以包 括物理快門(physical shutter),該物理快門可以在攝像機(jī)未被使用時(shí)被采 用以阻止該裝置被看到。該快門系統(tǒng)可以被部署在光學(xué)傳感器(6)的前 面以消除向后反射或可以安裝在透鏡組件的前面作為一個(gè)整體以完全消 除該裝置的光學(xué)特征(即，阻擋從該裝置發(fā)出的所有雜散光)。
有利的是，前述類型的透鏡可以被優(yōu)化為提供特定的視場。1度到 90度之間的視場為實(shí)用的視場，并且可以針對(duì)不同的環(huán)境和要求而有效 地為攝像機(jī)系統(tǒng)提供透鏡范圍。
對(duì)于針孔監(jiān)視攝像機(jī)而言，人們己發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生12度到65度視場的透 鏡范圍是非常適當(dāng)?shù)摹?br> 1權(quán)利要求
1、一種適于透過針孔進(jìn)行觀察的透鏡結(jié)構(gòu)，該透鏡結(jié)構(gòu)包括無需常規(guī)物鏡即可使用的會(huì)聚目鏡型透鏡裝置，并且被設(shè)置為使得該透鏡結(jié)構(gòu)向超出該透鏡結(jié)構(gòu)的第一端的物體空間中的點(diǎn)投射“虛擬”孔徑，所述第一端是該透鏡結(jié)構(gòu)的最靠近被觀察對(duì)象的一端，從而該虛擬孔徑限制了進(jìn)入該透鏡結(jié)構(gòu)的光束，其中該透鏡結(jié)構(gòu)不包含一體形成的物理透鏡光圈。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的透鏡結(jié)構(gòu)，其中所述目鏡型透鏡裝置包括后面跟著負(fù)型透鏡組件的正型透鏡組件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡結(jié)構(gòu)，其中所述目鏡型透鏡裝置包括 后面跟著彎月型透鏡組件的正型透鏡組件。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡結(jié)構(gòu)，其中所述目鏡型透鏡裝置包括 兩個(gè)正型透鏡組件，以及位于它們之間的負(fù)型透鏡組件。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡結(jié)構(gòu)，其中所述目鏡型透鏡裝置包括位于所述透鏡結(jié)構(gòu)的第一端處的負(fù)彎月型透鏡，后面跟著雙合透鏡組件，所述第一端是所述透鏡結(jié)構(gòu)的最靠近被觀察物體的一端；以及位于所述 透鏡結(jié)構(gòu)的第二端處的正彎月型透鏡組件，所述第二端是所述透鏡結(jié)構(gòu) 的最靠近圖像捕獲單元的一端。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡結(jié)構(gòu)，其中所述目鏡型透鏡裝置包括 位于所述透鏡結(jié)構(gòu)的第一端處的雙合透鏡組件，后面跟著正型透鏡，所 述第一端是所述透鏡結(jié)構(gòu)的最靠近被觀察物體的一端；以及位于所述透 鏡結(jié)構(gòu)的第二端處的三合透鏡，所述第二端是所述透鏡結(jié)構(gòu)的最靠近圖 像捕獲單元的一端。
7、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的透鏡結(jié)構(gòu)，其中相對(duì)于所述 透鏡結(jié)構(gòu)希望透過其進(jìn)行觀察的針孔對(duì)所述透鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了超裕度設(shè) 計(jì)，使得由所述透鏡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的像質(zhì)對(duì)所述針孔的尺寸、形狀和質(zhì)量相 對(duì)不敏感。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的透鏡結(jié)構(gòu)，其中所述虛擬孔徑的直徑在透過其進(jìn)行觀察的所述針孔的直徑尺寸的1到5倍的范圍內(nèi)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的透鏡結(jié)構(gòu)，其中所述虛擬孔徑的直徑是透 過其進(jìn)行觀察的針孔直徑的約1.5倍。
10、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的透鏡結(jié)構(gòu)，其中所述透鏡 結(jié)構(gòu)的最佳隙距被設(shè)計(jì)為盡可能地大，以使得由于所述透鏡結(jié)構(gòu)的不準(zhǔn) 確放置而產(chǎn)生的百分?jǐn)?shù)誤差能夠相對(duì)較小。
11、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的透鏡結(jié)構(gòu)，其中所述透鏡 結(jié)構(gòu)并入有物理快門以在不使用所述透鏡結(jié)構(gòu)時(shí)阻止其被看到。
12、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的透鏡結(jié)構(gòu)，其中所述透鏡 結(jié)構(gòu)被優(yōu)化為提供1到90度范圍內(nèi)的特定視場。
13、 一種隱秘地獲得圖像的方法，該方法包括以下步驟在將前述 權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的透鏡結(jié)構(gòu)置于遮擋物內(nèi)的孔的后面時(shí)，按照 使該遮擋物充當(dāng)物理透鏡光圈的方式來使用所述透鏡結(jié)構(gòu)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述透鏡結(jié)構(gòu)與所述針孔之 間的距離在0.5mm到10mm的范圍內(nèi)。
15、 一種監(jiān)視用針孔攝像機(jī)，該攝像機(jī)并入有權(quán)利要求1到12中任 意一項(xiàng)所述的透鏡結(jié)構(gòu)。
16、 一種大體上如這里參照附圖所述的透鏡結(jié)構(gòu)。
17、 一種大體如這里所述的隱秘地獲取圖像的方法。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種適于透過小孔進(jìn)行觀察的透鏡結(jié)構(gòu)，其中不需要常規(guī)上一體形成的物理透鏡光圈。該透鏡結(jié)構(gòu)對(duì)其位置相對(duì)不敏感，這意味著可以退后到孔的后方來設(shè)置該透鏡結(jié)構(gòu)，從而減少該透鏡結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)并能夠快速安裝。
文檔編號(hào)G02B25/00GK101517450SQ200780035233
公開日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2007年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者哈賓德爾·拉娜 申請(qǐng)人:英國國防部