专利名称：摄像装置及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种摄像装置，尤其涉及大景深的无需调焦的摄像装置。本发明还涉及这种大景深摄像装置的设计方法。
背景技术：
当今社会中，各种摄像装置已经广泛地深入到人类生活的各个角落，诸如银行、宾馆和楼宇中的监控摄像头，监控道路安全的摄像头，电影拍摄中所用的摄影机，手持的照相机。长久以来，这些摄像装置均受到景深不足这个问题的困扰。景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿着成像器轴线所测定的能够取得清晰图像的物体距离范围。由于传统的摄像镜头的景深都比较小，无法保证近景和远景同时清晰。如图1所示，该照片是利用传统的变焦摄像镜头(型号为“美电贝尔BL0416F”)拍摄的照片，由于镜头的景深较小，当调焦至中远距离时，中远距离处的景物较清楚，但是没有位于调焦点上的离镜头较近的名片却很不清楚。在安防和监控领域中，由于摄像头是自动进行拍摄，无法预先知道所关注的事物 (比如犯罪嫌疑人的面部)将出现在距离摄像头多远的位置，因此只能将对焦点(即调焦点)设置在某一固定位置处，而不能同时实现对预定的监控范围内的所有位置的覆盖。一旦所关注的事物偏离对焦点较远，景深比较小的传统摄像头就无法对所关注的事物清晰成像。这样，当公安机关在案发后调出当时的监控录像时，经常会发现犯罪嫌疑人的面部模糊难以辨别，从而给案件侦破造成了极大的困难。为了解决上述问题，日本研制了一种镜头， 其按距离远近将监控范围分为多个区域，由步进电机带动镜头对每个区域进行快速循环扫描，最后将各个区域的影像拼接起来，该方法虽然能增加景深，但是严格来说，这种做法并不是同时获得整个监控范围的影像，而且步进电机持续运转会给整个机构带来机械损耗， 大大缩短了镜头的工作寿命。在电影的拍摄过程中也会遇到景深问题的困扰，在拍摄一些中近距离的场面时， 通常我们会发现远景都很模糊，为了扩大景深，通常的做法就是采用多个镜头拍摄，最后在剪辑时将近景和远景图像进行拼接，或者就是采用透镜数很多、笨重昂贵的光学镜头进行拍摄，但这样操作复杂，成本也随之提高。中国专利申请公布说明书CN1949024A公开了一种无衍射光大景深成像光学系统，其将一个圆锥透镜插在像平面和普通成像系统之间，光束经圆锥透镜变换成近似无衍射光，近似无衍射光在沿光轴任一位置处的屏面上的投影都是一个同样大小的同心环衍射斑，其中心焦斑的直径基本由圆锥透镜的锥角决定，不存在普通成像系统的在不同位置处焦斑大小会变化的离焦模糊问题，达到了增加景深的目的。但是其采用的圆锥透镜是一种需要特殊加工的透镜，其锥角需要经过涉及到诸如贝塞尔函数的复杂计算和设计，成本较尚ο中国专利申请公布说明书CN101046M7A公开了一种大景深数码望远镜系统，其通过在光学成像系统中插入了一片厚度随χ，y坐标变化的孔径调制片来增加景深，其也存在计算和设计复杂、成本较高的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于全新设计理念、无需调焦的大景深摄像系统，以及该系统的设计方法。从而解决现有技术中存在的需要插入额外元件、设计复杂、工作寿命短、成本较高和设备笨重这些技术问题。本发明的设计原理是1.采用定焦镜头而非变焦镜头。变焦镜头组由于其焦距范围较大，在每个焦距上变焦镜头既要保证各种像差、色差得到补偿，又要保证景深足够大，而每个焦距下摄像镜头的理想成像参数是不同的，无法同时达到，再加之实际的摄像系统还受到玻璃片数及结构尺寸等因素的限制，所以目前从技术上无法保证在每个焦距下都能得到理想的景深范围， 尤其是对近景深有相当的欠缺。但是本发明采用了定焦镜头，这个问题就大大简化，从而得到了在固定焦距下比传统变焦镜头大得多的景深。2.本发明采用的定焦镜头不同于以往的定焦镜头，其彻底改变了定焦镜头的传统光学设计理念，克服了长久以来的技术偏见，光学系统参数的初始设计时的基准物平面 (调焦物平面)不再采用无穷远处的物平面，而是采用其将来所处的实际工作环境所要求的调焦物距处的物平面作为光学系统的参数初始设计时的基准物平面。传统定焦镜头都是按物平面在无限远进行光学系统设计的，从而得到镜头的表面形状、色散系数等参数。传统镜头，即便通过调整机构将它调焦在有限远的物平面处，它也必定没有完美的像质，因为它的初始光学设计基准在无穷远处，但实际的工作状态却是在有限远甚至很近的距离处，镜头的结构形状、色散系数等参数与在有限远处的成像条件匹配得不好，因此无法得到足够大的景深。但是本发明采用的定焦镜头按照基准物平面在实际工作时的调焦物距处进行初始的光学系统设计，故镜头的初始设计的参考物平面与它实际工作环境所要求的调焦物平面吻合，因此能使镜头景深最大程度地接近该调焦物距下的理想景深值。为了解决所述的技术问题，本发明的基本方案是该摄像装置使用焦距恒定的镜头，所述镜头在进行初始设计时，通过采用其将来所处的实际工作环境所要求的调焦物距处的物平面作为基准物平面来进行镜头光学系统的参数设计，从而使得镜头最大程度地接近该调焦物距下的理想景深值。镜头包括一片或多片透镜，所述镜头的光学系统参数包括透镜的位置、厚度、表面的曲率半径、折射率和色散系数。其使用焦距恒定的镜头，并通过选择镜头在实际工作时的调焦物距处的物平面作为基准物平面来进行镜头光学系统的参数的初始设计。所述设计方法具体包括以下步骤根据镜头所配成像器件的像面尺寸以及所需观察的视场范围确定镜头的焦距f ‘；根据所需观察的深度范围确定调焦物距P ；按照所选定的调焦物距值选定基准物平面，根据该基准物平面对镜头进行光学系统优化设计及镜头结构设计。作为本发明的一项优选方案，所述镜头包括七块光学镜片，与入光方向垂直，按入光方向顺序排列连接为第一透镜，其为双凸片；第二透镜，其为凹凸片；第三透镜，其为双凹片；第四透镜，其为凸凹片；第五透镜，其为双凸片；第六透镜，其为双凹片；第七透镜，其为双凸片。其中，第三透镜和第四透镜胶合在一起；第一透镜的前表面曲率半径为 102. 57mm，后表面曲率半径为15. 24mm ；第二透镜的前表面曲率半径为_20. 05mm，后表面曲率半径为-55. 21mm ；第三透镜的前表面曲率半径为-30. 2mm，后表面曲率半径为9. 29mm ； 第四透镜的前表面曲率半径为9. 29mm,后表面曲率半径为63. 68mm ；第五透镜的前表面曲率半径为8. 166mm，后表面曲率半径为-2128mm ；第六透镜的前表面曲率半径为_15. 488mm, 后表面曲率半径为7. 345mm ；第七透镜的前表面曲率半径为16. 711mm,后表面曲率半径为-16. 711mm。第一至第七透镜的厚度依次为 3. 5mm、3mm、2mm、3. 5mm、2. 8mm、1. 2mm、2. 5mm ； 第一至第七透镜的折射率依次为 1. 6221、1. 6221、1. 7883、1. 7847、1. 6921、1. 6477、1. 6921 ； 第一至第七透镜的色散系数依次为 56. 71,56. 71,47. 39,25. 76,54. 54,33. 87,54. 54。作为本发明的一项优选方案，所述摄像装置进一步包括成像器件。作为本发明的一项优选方案，所述成像器件为CXD或CMOS感光元件。作为本发明的一项优选方案，所述成像器件可以为CXD或CMOS摄像机，此时镜头采用即装即用的结构形式，只需将镜头接在CCD或CMOS摄像机上，摄像机对准被观察物，不用反复调整。本发明提高了在特定观察场景下的景深范围，无需插入额外的元件、成本较低、设计简单、工作寿命长、设备轻便，同时本发明的镜头无需变焦，不容易出现诸如锁紧机构松动，调焦不准等问题，在视频监控方面，增大了有效的观察范围，实现了很好的监控效果。在电视电影的中、近景拍摄中，也可采用本发明这种轻便的镜头来获得良好的画面效果。
图1是采用传统的变焦摄像头(美电贝尔BL0416F)拍摄的小景深的照片图2是采用本发明的摄像系统拍摄的大景深的照片图3是传统定焦摄像镜头的光学系统成像原理4是本发明的定焦摄像镜头的光学系统成像原理5是一种根据本发明的大景深设计方法制造的摄像装置
具体实施例方式本发明的摄像装置的设计方法包括以下三步1.根据镜头所配CCD摄像机的像面尺寸以及所需观察的视场范围确定镜头的焦距。焦距值f'由下式确定
权利要求
1.一种摄像镜头的设计方法，其使用焦距恒定的镜头，并通过选择位于镜头实际工作环境所要求的调焦物距处的物平面作为基准物平面来进行镜头光学系统的参数的初始设计。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于所述设计方法具体包括以下步骤根据镜头所配成像器件的像面尺寸以及所需观察的视场范围确定镜头的焦距f ‘；根据所需观察的景深范围确定调焦物距P ；按照所选定的调焦物距值选定基准物平面，根据该基准物平面对镜头光学系统进行参数的优化设计，然后确定与光学系统的参数相适应的镜头机械结构。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于所述焦距由下式决定，
4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于所述调焦物距P根据景深近距或景深远距来决定，其数值分别由以下公式决定
5.根据权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于所述镜头包括一片或多片透镜。
6.根据权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于所述镜头光学系统的参数包括透镜的位置、厚度、表面的曲率半径、折射率和色散系数。
7.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于所述成像器件为CCD或CMOS感光元件。
8.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于所述成像器件为CCD或CMOS摄像机。
9.一种摄像镜头，其根据权利要求1-6中任一项所述的设计方法来制造。
10.一种摄像镜头，其特征在于所述镜头包括七块光学镜片，与入光方向垂直，按入光方向顺序排列连接为第一透镜，其为双凸片；第二透镜，其为凹凸片；第三透镜，其为双凹片；第四透镜，其为凸凹片；第五透镜，其为双凸片；第六透镜，其为双凹片；第七透镜，其为双凸片；其中，第三透镜和第四透镜胶合在一起。
11.根据权利要求10所述的设计方法，其特征在于第一透镜的前表面曲率半径为 102. 57mm，后表面曲率半径为15. 24mm ；第二透镜的前表面曲率半径为_20. 05mm，后表面曲率半径为-55. 21mm ；第三透镜的前表面曲率半径为-30. 2mm，后表面曲率半径为9. 29mm ； 第四透镜的前表面曲率半径为9. 29mm,后表面曲率半径为63. 68mm ；第五透镜的前表面曲率半径为8. 166mm，后表面曲率半径为-2128mm ；第六透镜的前表面曲率半径为_15. 488mm, 后表面曲率半径为7. 345mm ；第七透镜的前表面曲率半径为16. 711mm,后表面曲率半径为-16. 711mm。
12.根据权利要求10或11所述的设计方法，其特征在于第一至第七透镜的厚度依次为 3. 5mm、3mm、2mm、3. 5mm、2. 8mm、1. 2mm、2. 5mm ；第一至第七透镜的折射率依次为 1. 6221、 1. 6221、1. 7883、1. 7847、1. 6921、1. 6477、1. 6921 ；第一至第七透镜的色散系数依次为 56. 71,56. 71,47. 39,25. 76,54. 54,33. 87,54. 54。
13.根据权利要求10或11所述的摄像镜头，其特征在于第一、第二透镜之间的间隔为7mm，第二、第三透镜之间的间隔为13mm，第三、第四透镜之间的间隔为0，第四、第五透镜之间的间隔为28. 5mm，第五、第六透镜之间的间隔为1. 5mm，第六、第七透镜之间的间隔为 1. 5mm0
14.根据权利要求12所述的摄像镜头，其特征在于第一、第二透镜之间的间隔为7mm， 第二、第三透镜之间的间隔为13mm，第三、第四透镜之间的间隔为0，第四、第五透镜之间的间隔为28. 5mm，第五、第六透镜之间的间隔为1. 5mm，第六、第七透镜之间的间隔为1. 5mm。
15.根据权利要求14所述的摄像镜头，其特征在于当调焦物平面位置L为250mm时， 所述镜头的实际测量结果为，近景深达100mm，远景深达20m。
16.一种摄像装置，其包括如权利要求9-15中任一项所述的摄像镜头。
17.根据权利要求16所述的摄像装置，其特征在于所述摄像装置进一步包括成像器件。
18.根据权利要求17所述的摄像装置，其特征在于所述成像器件为CCD或CMOS感光元件。
19.根据权利要求17所述的摄像装置，其特征在于所述成像器件为CCD或CMOS摄像机，所述镜头采用即装即用的结构，能直接将所述镜头接在CCD或CMOS摄像机上。
全文摘要
本发明公开了一种大景深的摄像装置及其设计方法。该摄像装置使用焦距恒定的镜头，所述镜头在进行初始设计时，通过采用其以后的实际工作环境所要求的调焦物距处的物平面作为基准物平面来进行镜头光学系统的参数设计。该方法根据镜头所配成像器件的像面尺寸以及所需观察的视场范围确定镜头的焦距，然后根据所需观察的深度范围确定调焦物距，最后按照所选定的调焦物距值选定基准物平面，根据该基准物平面对镜头进行光学系统的参数优化设计。利用这种方法设计出来的摄像装置，不需要插入额外元件就能够增大景深，并且无需调焦、成本低廉。
文档编号G02B13/00GK102156350SQ201010117209
公开日2011年8月17日 申请日期2010年2月20日 优先权日2010年2月12日
发明者何江, 刘云峰, 郭京 申请人:北方国通(北京)光电科技有限公司