專利名稱：攝像裝置設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種攝像裝置，尤其涉及大景深的無需調(diào)焦的攝像裝置。本發(fā)明還涉及這種大景深攝像裝置的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今社會中，各種攝像裝置已經(jīng)廣泛地深入到人類生活的各個角落，諸如銀行、賓 館和樓宇中的監(jiān)控攝像頭，監(jiān)控道路安全的攝像頭，電影拍攝中所用的攝影機(jī)，手持的照相機(jī)。長久以來，這些攝像裝置均受到景深不足這個問題的困擾。景深是指在攝影機(jī)鏡頭或其他成像器前沿著成像器軸線所測定的能夠取得清晰圖像的物體距離范圍。由于傳統(tǒng)的攝像鏡頭的景深都比較小，無法保證近景和遠(yuǎn)景同時清晰。如圖I所示，該照片是利用傳統(tǒng)的變焦攝像鏡頭(型號為“美電貝爾BL0416F”)拍攝的照片，由于鏡頭的景深較小，當(dāng)調(diào)焦至中遠(yuǎn)距離時，中遠(yuǎn)距離處的景物較清楚，但是沒有位于調(diào)焦點上的離鏡頭較近的名片卻很不清楚。在安防和監(jiān)控領(lǐng)域中，由于攝像頭是自動進(jìn)行拍攝，無法預(yù)先知道所關(guān)注的事物(比如犯罪嫌疑人的面部)將出現(xiàn)在距離攝像頭多遠(yuǎn)的位置，因此只能將對焦點(即調(diào)焦點)設(shè)置在某一固定位置處，而不能同時實現(xiàn)對預(yù)定的監(jiān)控范圍內(nèi)的所有位置的覆蓋。一旦所關(guān)注的事物偏離對焦點較遠(yuǎn)，景深比較小的傳統(tǒng)攝像頭就無法對所關(guān)注的事物清晰成像。這樣，當(dāng)公安機(jī)關(guān)在案發(fā)后調(diào)出當(dāng)時的監(jiān)控錄像時，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)犯罪嫌疑人的面部模糊難以辨別，從而給案件偵破造成了極大的困難。為了解決上述問題，日本研制了一種鏡頭，其按距離遠(yuǎn)近將監(jiān)控范圍分為多個區(qū)域，由步進(jìn)電機(jī)帶動鏡頭對每個區(qū)域進(jìn)行快速循環(huán)掃描，最后將各個區(qū)域的影像拼接起來，該方法雖然能增加景深，但是嚴(yán)格來說，這種做法并不是同時獲得整個監(jiān)控范圍的影像，而且步進(jìn)電機(jī)持續(xù)運轉(zhuǎn)會給整個機(jī)構(gòu)帶來機(jī)械損耗，大大縮短了鏡頭的工作壽命。在電影的拍攝過程中也會遇到景深問題的困擾，在拍攝一些中近距離的場面時，通常我們會發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)景都很模糊，為了擴(kuò)大景深，通常的做法就是采用多個鏡頭拍攝，最后在剪輯時將近景和遠(yuǎn)景圖像進(jìn)行拼接，或者就是采用透鏡數(shù)很多、笨重昂貴的光學(xué)鏡頭進(jìn)行拍攝，但這樣操作復(fù)雜，成本也隨之提高。中國專利申請公布說明書CN1949024A公開了一種無衍射光大景深成像光學(xué)系統(tǒng)，其將一個圓錐透鏡插在像平面和普通成像系統(tǒng)之間，光束經(jīng)圓錐透鏡變換成近似無衍射光，近似無衍射光在沿光軸任一位置處的屏面上的投影都是一個同樣大小的同心環(huán)衍射斑，其中心焦斑的直徑基本由圓錐透鏡的錐角決定，不存在普通成像系統(tǒng)的在不同位置處焦斑大小會變化的離焦模糊問題，達(dá)到了增加景深的目的。但是其采用的圓錐透鏡是一種需要特殊加工的透鏡，其錐角需要經(jīng)過涉及到諸如貝塞爾函數(shù)的復(fù)雜計算和設(shè)計，成本較聞。中國專利申請公布說明書CN101046547A公開了一種大景深數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其通過在光學(xué)成像系統(tǒng)中插入了一片厚度隨X，I坐標(biāo)變化的孔徑調(diào)制片來增加景深，其也存在計算和設(shè)計復(fù)雜、成本較高的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于全新設(shè)計理念、無需調(diào)焦的大景深攝像系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)的設(shè)計方法。從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的需要插入額外元件、設(shè)計復(fù)雜、工作壽命短、成本較高和設(shè)備笨重這些技術(shù)問題。本發(fā)明的設(shè)計原理是I.采用定焦鏡頭而非變焦鏡頭。變焦鏡頭組由于其焦距范圍較大，在每個焦距上 變焦鏡頭既要保證各種像差、色差得到補償，又要保證景深足夠大，而每個焦距下攝像鏡頭的理想成像參數(shù)是不同的，無法同時達(dá)到，再加之實際的攝像系統(tǒng)還受到玻璃片數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸等因素的限制，所以目前從技術(shù)上無法保證在每個焦距下都能得到理想的景深范圍，尤其是對近景深有相當(dāng)?shù)那啡?。但是本發(fā)明采用了定焦鏡頭，這個問題就大大簡化，從而得到了在固定焦距下比傳統(tǒng)變焦鏡頭大得多的景深。2.本發(fā)明采用的定焦鏡頭不同于以往的定焦鏡頭，其徹底改變了定焦鏡頭的傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計理念，克服了長久以來的技術(shù)偏見，光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的初始設(shè)計時的基準(zhǔn)物平面(調(diào)焦物平面)不再采用無窮遠(yuǎn)處的物平面，而是采用其將來所處的實際工作環(huán)境所要求的調(diào)焦物距處的物平面作為光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)初始設(shè)計時的基準(zhǔn)物平面。傳統(tǒng)定焦鏡頭都是按物平面在無限遠(yuǎn)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的，從而得到鏡頭的表面形狀、色散系數(shù)等參數(shù)。傳統(tǒng)鏡頭，即便通過調(diào)整機(jī)構(gòu)將它調(diào)焦在有限遠(yuǎn)的物平面處，它也必定沒有完美的像質(zhì)，因為它的初始光學(xué)設(shè)計基準(zhǔn)在無窮遠(yuǎn)處，但實際的工作狀態(tài)卻是在有限遠(yuǎn)甚至很近的距離處，鏡頭的結(jié)構(gòu)形狀、色散系數(shù)等參數(shù)與在有限遠(yuǎn)處的成像條件匹配得不好，因此無法得到足夠大的景深。但是本發(fā)明采用的定焦鏡頭按照基準(zhǔn)物平面在實際工作時的調(diào)焦物距處進(jìn)行初始的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，故鏡頭的初始設(shè)計的參考物平面與它實際工作環(huán)境所要求的調(diào)焦物平面吻合，因此能使鏡頭景深最大程度地接近該調(diào)焦物距下的理想景深值。為了解決所述的技術(shù)問題，本發(fā)明的基本方案是該攝像裝置使用焦距恒定的鏡頭，所述鏡頭在進(jìn)行初始設(shè)計時，通過采用其將來所處的實際工作環(huán)境所要求的調(diào)焦物距處的物平面作為基準(zhǔn)物平面來進(jìn)行鏡頭光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計，從而使得鏡頭最大程度地接近該調(diào)焦物距下的理想景深值。鏡頭包括一片或多片透鏡，所述鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)包括透鏡的位置、厚度、表面的曲率半徑、折射率和色散系數(shù)。其使用焦距恒定的鏡頭，并通過選擇鏡頭在實際工作時的調(diào)焦物距處的物平面作為基準(zhǔn)物平面來進(jìn)行鏡頭光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)的初始設(shè)計。所述設(shè)計方法具體包括以下步驟根據(jù)鏡頭所配成像器件的像面尺寸以及所需觀察的視場范圍確定鏡頭的焦距f丨;根據(jù)所需觀察的深度范圍確定調(diào)焦物距P ;按照所選定的調(diào)焦物距值選定基準(zhǔn)物平面，根據(jù)該基準(zhǔn)物平面對鏡頭進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計。
作為本發(fā)明的一項優(yōu)選方案，所述鏡頭包括七塊光學(xué)鏡片，與入光方向垂直，按入光方向順序排列連接為第一透鏡，其為雙凸片；第二透鏡，其為凹凸片；第三透鏡，其為雙凹片；第四透鏡，其為凸凹片；第五透鏡，其為雙凸片；第六透鏡，其為雙凹片；第七透鏡，其為雙凸片。其中，第三透鏡和第四透鏡膠合在一起；第一透鏡的前表面曲率半徑為102. 57mm,后表面曲率半徑為15. 24mm ;第二透鏡的前表面曲率半徑為-20. 05mm,后表面曲率半徑為-55. 21mm ;第三透鏡的前表面曲率半徑為-30. 2mm,后表面曲率半徑為9. 29mm ；第四透鏡的前表面曲率半徑為9. 29mm,后表面曲率半徑為63. 68mm ;第五透鏡的前表面曲率半徑為8. 166mm,后表面曲率半徑為-2128mm ;第六透鏡的前表面曲率半徑為-15. 488mm,后表面曲率半徑為 . 345mm ;第七透鏡的前表面曲率半徑為16. 711mm,后表面曲率半徑為-16. 711謹(jǐn)。第一至第七透鏡的厚度依次為3. 5謹(jǐn)、3謹(jǐn)、2謹(jǐn)、3. 5謹(jǐn)、2. 8謹(jǐn)、I. 2謹(jǐn)、2. 5謹(jǐn)；第一至第七透鏡的折射率依次為 I. 6221、I. 6221、I. 7883、I. 7847、I. 6921、I. 6477、I. 6921 ；第一至第七透鏡的色散系數(shù)依次為 56. 71,56. 71,47. 39,25. 76,54. 54,33. 87,54. 54。作為本發(fā)明的一項優(yōu)選方案，所述攝像裝置進(jìn)一步包括成像器件。作為本發(fā)明的一項優(yōu)選方案，所述成像器件為CXD或CMOS感光元件。作為本發(fā)明的一項優(yōu)選方案，所述成像器件可以為CXD或CMOS攝像機(jī)，此時鏡頭采用即裝即用的結(jié)構(gòu)形式，只需將鏡頭接在CCD或CMOS攝像機(jī)上，攝像機(jī)對準(zhǔn)被觀察物，不用反復(fù)調(diào)整。本發(fā)明提高了在特定觀察場景下的景深范圍，無需插入額外的元件、成本較低、設(shè)計簡單、工作壽命長、設(shè)備輕便，同時本發(fā)明的鏡頭無需變焦，不容易出現(xiàn)諸如鎖緊機(jī)構(gòu)松動，調(diào)焦不準(zhǔn)等問題，在視頻監(jiān)控方面，增大了有效的觀察范圍，實現(xiàn)了很好的監(jiān)控效果。在電視電影的中、近景拍攝中，也可采用本發(fā)明這種輕便的鏡頭來獲得良好的畫面效果。


圖I是采用傳統(tǒng)的變焦攝像頭(美電貝爾BL0416F)拍攝的小景深的照片圖2是采用本發(fā)明的攝像系統(tǒng)拍攝的大景深的照片 圖3是傳統(tǒng)定焦攝像鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)成像原理4是本發(fā)明的定焦攝像鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)成像原理5是一種根據(jù)本發(fā)明的大景深設(shè)計方法制造的攝像裝置
具體實施例方式本發(fā)明的攝像裝置的設(shè)計方法包括以下三步I.根據(jù)鏡頭所配CCD攝像機(jī)的像面尺寸以及所需觀察的視場范圍確定鏡頭的焦距。焦距值f '由下式確定
r η ^Ih2+W1f、p-........ (I)
4 · tana>式中H — CCD攝像機(jī)像面高度尺寸W一(XD攝像機(jī)像面寬度尺寸ω 一所需的觀察半視場角2.根據(jù)所需觀察的深度范圍確定調(diào)焦物距P。
如圖4所示，調(diào)焦點到鏡頭入瞳的距離為調(diào)焦物距P，與彌散圓共軛的遠(yuǎn)點到透鏡入瞳的距離為景深遠(yuǎn)距P1，與彌散圓共軛的近點到透鏡入瞳的距離為P2，調(diào)焦物距、景深遠(yuǎn)距和景深近距這三者滿足景深公式(2)和(3):景深遠(yuǎn)距
權(quán)利要求
1.一種攝像鏡頭的設(shè)計方法，其使用焦距恒定的鏡頭，并通過選擇位于鏡頭實際工作環(huán)境所要求的調(diào)焦物距處的物平面作為基準(zhǔn)物平面來進(jìn)行鏡頭光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)的初始設(shè)計。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述攝像鏡頭的設(shè)計方法，其特征在于所述設(shè)計方法具體包括以下步驟 根據(jù)鏡頭所配成像器件的像面尺寸以及所需觀察的視場范圍確定鏡頭的焦距f ;; 根據(jù)所需觀察的景深范圍確定調(diào)焦物距P ; 按照所選定的調(diào)焦物距值選定基準(zhǔn)物平面，根據(jù)該基準(zhǔn)物平面對鏡頭光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，然后確定與光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)相適應(yīng)的鏡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述攝像鏡頭的設(shè)計方法，其特征在于所述焦距由下式?jīng)Q定， ^lH2+W2J-4-tanry 其中，H為所述成像器件的像面高度尺寸，W為成像器件像面寬度尺寸，ω為所需的觀察半視場角。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述攝像鏡頭的設(shè)計方法，其特征在于所述調(diào)焦物距P根據(jù)景深近距或景深遠(yuǎn)距來決定，其數(shù)值分別由以下公式?jīng)Q定 P— pr 或 /'2SP1F^ f'2+SP'F 其中，P2為景深近距，P1為景深遠(yuǎn)距，^為鏡頭的焦距，S為鏡頭像面上允許的彌散圓直徑，F(xiàn)為鏡頭的光圈值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述攝像鏡頭的設(shè)計方法，其特征在于所述鏡頭包括一片或多片透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述攝像鏡頭的設(shè)計方法，其特征在于所述鏡頭光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)包括透鏡的位置、厚度、表面的曲率半徑、折射率和色散系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述攝像鏡頭的設(shè)計方法，其特征在于所述成像器件為CCD或CMOS感光元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述攝像鏡頭的設(shè)計方法，其特征在于所述成像器件為CCD或CMOS攝像機(jī)。
9.一種攝像鏡頭，其根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述攝像鏡頭的設(shè)計方法來制造。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大景深的攝像裝置設(shè)計方法。該攝像裝置使用焦距恒定的鏡頭，所述鏡頭在進(jìn)行初始設(shè)計時，通過采用其以后的實際工作環(huán)境所要求的調(diào)焦物距處的物平面作為基準(zhǔn)物平面來進(jìn)行鏡頭光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計。該方法根據(jù)鏡頭所配成像器件的像面尺寸以及所需觀察的視場范圍確定鏡頭的焦距，然后根據(jù)所需觀察的深度范圍確定調(diào)焦物距，最后按照所選定的調(diào)焦物距值選定基準(zhǔn)物平面，根據(jù)該基準(zhǔn)物平面對鏡頭進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。利用這種方法設(shè)計出來的攝像裝置，不需要插入額外元件就能夠增大景深，并且無需調(diào)焦、成本低廉。
文檔編號H04N5/225GK102866498SQ20121033248
公開日2013年1月9日 申請日期2010年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者郭京, 劉云峰, 何江 申請人:北方國通(北京)光電科技有限公司