一種基于離軸光路技術的攝像系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于離軸光路技術的攝像系統，通過在攝像機靶面中心軸與成像物鏡主光軸之間設定偏移量，形成了離軸視角，結合小畫幅攝像機和大畫幅定焦鏡頭的設計方案，當攝像機靶面停留在某一位置時，鏡頭與攝像機靶面形成了一組系統組合，當控制攝像機靶面圍繞物鏡主光軸旋轉，攝像機在鏡頭視野范圍內就獲得了一個更大的成像范圍，從而獲得了第二組系統組合。這樣就形成了一套擁有兩套不同的視場角和目標占幅比參數的成像系統，結構緊湊，體積小巧，而且在兩種參數下擁有相同的圖像清晰度。同時攝像系統在對目標進行拍攝時，由于存在離軸視角，不需要設備鏡頭正對目標取景，在安裝完成后，可以減少正下的視野死角，提高觀察范圍。
【專利說明】
一種基于離軸光路技術的攝像系統
技術領域
[0001] 本實用新型涉及光學成像領域，具體涉及一種基于離軸光路技術的攝像系統。
【背景技術】
[0002] 在光學成像領域中，一組成像物鏡與攝像機參數確定的成像系統，其所能成像的 范圍即視場角以及特定距離處目標在畫幅中所占的比例即目標占幅比就是固定的。但在實 際使用中，對所拍攝的景物范圍或者目標的距離、在畫面上所占的比例等效果有不同的要 求，針對每種不同的要求就需要不同的物鏡與攝像機的不同組合模式，這就是操作人員在 實際拍攝時需要不斷更換物鏡甚至攝像機的原因。更換系統的操作較為復雜，很多情況下 在完成系統組裝之后，也就錯過了拍攝景物的最佳時機，從而降低了工作。因此，如果能在 一種成像系統中同時實現多種物鏡與攝像機的組合，就可以在不更換系統組件的情況下實 現多種拍攝效果的靈活切換，減少操作步驟，保證拍攝目標和景物的連續性，提高工作效 率。
[0003] 光學成像技術發展至今，先后出現了多種可以在一套光學成像系統中實現多組參 數的方法。
[0004] 1、最早使用并延續至今的是采用具有變焦結構的成象物鏡，通過物鏡焦距的連續 變化，使得成像系統可以在不同組合參數之間切換。但是，變焦物鏡為實現變焦的性能，必 須使用復雜的透鏡結構，再加上配套的調節機構，使得其體積和重量超出普通定焦鏡頭數 倍，雖然避免了更換部件的步驟，但是給設備的攜帶和安裝帶來了額外的負擔，制約了其在 工程和安防領域內的應用。
[0005] 2、隨著攝像機象素數的提高和圖像處理技術的進步，演變出了數字圖像放大的技 術，利用圖像超高的分辨率，再結合多種數字圖像算法的使用，可以在直接在畫面上實現部 分區域圖像的放大和縮小，從而實現改變系統成像效果的目的。這種技術在拍攝單幅照片 的情況下能夠獲得很好的實際效果。但是在拍攝視頻圖像時，由于視頻分辨率低，數據量 大，并受到圖像處理器性能的影響，在進行數字放大或縮小的過程中，會造成圖像分辨率下 降和視頻延遲的現象，從而制約了該技術的使用。 【實用新型內容】
[0006]針對現有技術的不足，本實用新型旨在提供一種基于離軸光路技術的攝像系統， 通過在攝像機靶面中心軸與成像物鏡主光軸之間設定偏移量，形成了離軸視角，結合小畫 幅攝像機和大畫幅定焦鏡頭的設計方案，當攝像機靶面停留在某一位置時，鏡頭與攝像機 靶面形成了一組系統組合，當控制攝像機靶面圍繞物鏡主光軸旋轉，攝像機在鏡頭視野范 圍內就獲得了一個更大的成像范圍，從而獲得了第二組系統組合。這樣就形成了一套擁有 兩套不同的視場角和目標占幅比參數的成像系統，結構緊湊，體積小巧，而且在兩種參數下 擁有相同的圖像清晰度。同時攝像系統在對目標進行拍攝時，由于存在離軸視角，不需要設 備鏡頭正對目標取景，在安裝完成后，可以減少正下的視野死角，提高觀察范圍。
[0007] 為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：
[0008] 一種基于離軸光路技術的攝像系統，包括成像物鏡、攝像機、姿態控制結構，所述 成像物鏡、攝像機、姿態控制結構在光的傳播方向上依次排列；其中，攝像機靶面中心位置 與成像物鏡的主光軸之間具有一定的離軸偏移量。
[0009] 需要說明的是，所述姿態控制結構連接于所述攝像機并控制其繞著成像物鏡的主 光軸旋轉。
[0010] 進一步地，需要說明的是，所述姿態控制結構包括主動齒輪、定位齒輪、電機和齒 輪箱，所述定位齒輪和所述主動齒輪設于所述齒輪箱內，所述定位齒輪一端連接于所述攝 像機;所述主動齒輪連接于所述電機的輸出軸，并與所述定位齒輪嚙合。
[0011] 更進一步地，需要說明的是，所述定位齒輪包括至少兩個，并且與同一主動齒輪相 嚙合。
[0012] 更進一步地，需要說明的是，所述定位齒輪的另一端處定位齒輪的轉軸端部落于 所述齒輪箱所設的限位孔中。
[0013] 需要說明的是，所述離軸偏移量為固定值，靶面邊緣位置外切于成像物鏡視野時 的離軸偏移量為所能設置的最大離軸偏移量。
[0014] 需要說明的是，攝像機靶面的長不小于成像物鏡的視野半徑。
[0015] -種制作上述基于離軸光路技術的攝像系統的方法，包括如下步驟：
[0016] 步驟Sl使成像物鏡、攝像機、姿態控制結構在光的傳播方向上依次排列，并使攝像 機靶面中心位置相對于成像物鏡主光軸具有離軸偏移量，以獲得成像物鏡邊緣視場的圖 像;其中，所述離軸偏移量的最大值為靶面邊緣位置外切于成像物鏡視野時的離軸偏移量， 所述離軸偏移量的最大值通過下式計算：
[0017]
[0018] 其中R為成像物鏡視野半徑，a、b分別為攝像機靶面的長和寬，其中為了保證成像 物鏡視野中心區域良好成像，還應滿足攝像機靶面的長a不小于成像物鏡的視野半徑R，從 而保證盡可能大的對鏡頭視野成像；
[0019] S2攝像機直接與定位齒輪的一個端面進行定位安裝，定位齒輪端的安裝孔位與定 位齒輪的轉軸之間設定離軸偏移量d，以使定位齒輪旋轉時帶動攝像機圍繞成像物鏡主光 軸作圓周運動；
[0020] S3所有定位齒輪與同一主動齒輪嚙合以保證所有定位齒輪旋轉的同步性，而所述 主動齒輪連接于所述電機的輸出軸;所述定位齒輪、主動齒輪均安裝于齒輪箱內，由齒輪箱 來限制定位齒輪的轉動空間。
[0021 ]上述基于離軸光路技術的攝像系統的工作方法為：
[0022]通過設定離軸偏移量d，使攝像機靶面與成像物鏡主光軸之間形成離軸偏轉角α， 攝像機在成像物鏡視野內的離軸位置全畫幅成像，由姿態控制結構控制攝像機圍繞成像物 鏡主光軸做半徑為d的圓周運動，同時控制攝像機靶面的方向在轉動過程中不發生變化，保 證所拍攝的畫面始終維持正向。
[0023]本實用新型的有益效果在于：
[0024]首先，本實用新型采用離軸技術，使攝像機靶面與成像物鏡的主光軸間形成一定 的離軸偏轉角，從而能夠獲得成像物鏡邊緣視場的圖像;離軸偏轉角α的計算公式為：
[0025]
[0026] 其中，d為離軸光路中實際的離軸偏移量，P是成像物鏡的焦距。
[0027] 其次，通過姿態控制機制，使攝像機在成像物鏡視野內圍繞主光軸旋轉，從而獲得 鏡頭的全部視場角內的圖像信息，相對于大畫幅的攝像機直接成像，提高了全鏡頭視場角 內圖像的分辨率。
[0028]全畫幅視場角計算公式為：
[0029]
[0030]子畫幅視場角計算公式為：
[0031]
[0032] c是攝像機靶面的對角線長度，R為成像物鏡視野半徑。其中由于R>c/2,從而獲得 了長焦端的視場角參數Θ和短焦端的視場角參數0sub。
【附圖說明】
[0033]圖1為本實用新型原理不意圖；
[0034] 圖2為實施例中系統截面結構示意圖；
[0035] 圖3為攝像系統相關參數指標計算原理圖。
【具體實施方式】
[0036] 以下將結合附圖對本實用新型作進一步的描述，需要說明的是，本實施例以本技 術方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍并不 限于本實施例。
[0037] 如圖1所示，一種基于離軸光路技術的攝像系統，包括成像物鏡1、攝像機2、姿態控 制結構3,所述成像物鏡1、攝像機2、姿態控制結構3在光的傳播方向上依次按順序排列；其 中，攝像機2的靶面的中心位置與成像物鏡1的主光軸之間始終具有一定的離軸偏移量d，以 獲得成像物鏡1邊緣視場的圖像;姿態控制結構3連接于所述攝像機1并控制其繞著主光軸 旋轉。在本實施例中，所述成像物鏡1采用如圖2所示的針孔鏡頭4。
[0038] 如圖2所示，所述姿態控制結構3還包括主動齒輪7、兩個定位齒輪5、電機8和齒輪 箱6,所述定位齒輪5和所述主動齒輪7設于所述齒輪箱6內，所述定位齒輪5-端作為定位安 裝面連接于所述攝像機4,而定位齒輪5的另一端處定位齒輪5的轉軸端部落于所述齒輪箱6 底座上所設的限位孔中；所述主動齒輪7連接于所述電機8的輸出軸，并與所述定位齒輪5嚙 合。采用齒輪傳動的設計結構作為姿態控制結構，可以增強姿態控制結構的緊湊和穩定性。
[0039] 作為一種優選方案，靶面邊緣位置外切于成像物鏡視野時的所述離軸偏移量d則 為離軸偏移量的最大值dmax。
[0040] 作為一種優選方案，攝像機2的靶面的長a不小于成像物鏡1的視野半徑R。這樣可 以保證盡可能大的對成像物鏡視野成像。
[0041 ] -種制作上述基于離軸光路技術的攝像系統的方法，包括如下步驟：
[0042] 步驟Sl攝像機靶面中心位置相對于成像物鏡主光軸具有離軸偏移量d，而離軸偏 移量的最大值dmax(保證靶面邊緣位置最大只能外切于成像物鏡視野的離軸偏移量，如圖3 所示)通過下式計算：
[0043]
[0044] 其中R為成像物鏡視野半徑，a、b分別為攝像機靶面的長和寬，其中為了保證成像 物鏡視野中心區域良好成像，還應滿足攝像機靶面的長a不小于成像物鏡的視野半徑R，從 而保證盡可能大的對鏡頭視野成像；
[0045] S2攝像機直接與定位齒輪的一個端面進行定位安裝，定位齒輪端的安裝孔位與定 位齒輪轉軸之間設定離軸偏移量d，以使定位齒輪旋轉帶動攝像機圍繞鏡頭主光軸作圓周 運動；
[0046] S3所有定位齒輪同時與攝像機固定，并與同一個主動齒輪嚙合以保證所有定位齒 輪旋轉的同步性，而所述主動齒輪連接于所述電機的輸出軸。這種設計可以保證攝像機在 旋轉的過程中始終保持方向不變，從而保證成像畫面的穩定性。所述定位齒輪、主動齒輪均 安裝于齒輪箱內，所述定位齒輪另一端處定位齒輪的轉軸落入所述齒輪箱底座所設的限位 孔內，由齒輪箱來限制定位齒輪的轉動空間。
[0047] 上述基于離軸光路技術的攝像系統的工作方法為:通過設定離軸偏移量d，使攝像 機靶面與成像物鏡主光軸之間形成離軸偏轉角α，攝像機在成像物鏡視野內的離軸位置全 畫幅成像，由姿態控制結構控制攝像機圍繞成像物鏡主光軸做半徑為d的圓周運動，同時控 制攝像機靶面的方向在轉動過程中不發生變化，保證所拍攝的畫面始終維持正向。
[0048]對于本領域的技術人員來說，可以根據以上的技術方案和構思，作出各種相應的 改變和變形，而所有的這些改變和變形都應該包括在本實用新型權利要求的保護范圍之 內。
【主權項】
1. 一種基于離軸光路技術的攝像系統，其特征在于，包括成像物鏡、攝像機、姿態控制 結構，所述成像物鏡、攝像機、姿態控制結構在光的傳播方向上依次排列;其中，攝像機靶面 中心位置與成像物鏡的主光軸之間具有一定的離軸偏移量。2. 根據權利要求1所述的基于離軸光路技術的攝像系統，其特征在于，所述姿態控制結 構連接于所述攝像機并控制其繞著成像物鏡的主光軸旋轉。3. 根據權利要求2所述的基于離軸光路技術的攝像系統，其特征在于，所述姿態控制結 構包括主動齒輪、定位齒輪、電機和齒輪箱，所述定位齒輪和所述主動齒輪設于所述齒輪箱 內，所述定位齒輪一端連接于所述攝像機;所述主動齒輪連接于所述電機的輸出軸，并與所 述定位齒輪嚙合。4. 根據權利要求3所述的基于離軸光路技術的攝像系統，其特征在于，所述定位齒輪包 括至少兩個，并且與同一主動齒輪相嚙合。5. 根據權利要求3或4所述的基于離軸光路技術的攝像系統，其特征在于，所述定位齒 輪的另一端處定位齒輪的轉軸端部落于所述齒輪箱所設的限位孔中。6. 根據權利要求1所述的基于離軸光路技術的攝像系統，其特征在于，所述離軸偏移量 為固定值，靶面邊緣位置外切于成像物鏡視野時的離軸偏移量為所能設置的最大離軸偏移 量。7. 根據權利要求1所述的基于離軸光路技術的攝像系統，其特征在于，攝像機靶面的長 不小于成像物鏡的視野半徑。
【文檔編號】G03B17/12GK205539871SQ201620300629
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月12日
【發明人】韓浚源, 王雷, 許秉時
【申請人】公安部第研究所, 公安部第一研究所, 北京中盾安全技術開發公司