一種基于離軸光路技術(shù)的攝像系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)成像領(lǐng)域，具體涉及一種基于離軸光路技術(shù)的攝像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)成像領(lǐng)域中，一組成像物鏡與攝像機(jī)參數(shù)確定的成像系統(tǒng)，其所能成像的 范圍即視場角以及特定距離處目標(biāo)在畫幅中所占的比例即目標(biāo)占幅比就是固定的。但在實(shí) 際使用中，對所拍攝的景物范圍或者目標(biāo)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(jī)的不同組合模式，這就是操作人員在 實(shí)際拍攝時需要不斷更換物鏡甚至攝像機(jī)的原因。更換系統(tǒng)的操作較為復(fù)雜，很多情況下 在完成系統(tǒng)組裝之后，也就錯過了拍攝景物的最佳時機(jī)，從而降低了工作。因此，如果能在 一種成像系統(tǒng)中同時實(shí)現(xiàn)多種物鏡與攝像機(jī)的組合，就可以在不更換系統(tǒng)組件的情況下實(shí) 現(xiàn)多種拍攝效果的靈活切換，減少操作步驟，保證拍攝目標(biāo)和景物的連續(xù)性，提高工作效 率。
[0003] 光學(xué)成像技術(shù)發(fā)展至今，先后出現(xiàn)了多種可以在一套光學(xué)成像系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多組參 數(shù)的方法。
[0004] 1、最早使用并延續(xù)至今的是采用具有變焦結(jié)構(gòu)的成象物鏡，通過物鏡焦距的連續(xù) 變化，使得成像系統(tǒng)可以在不同組合參數(shù)之間切換。但是，變焦物鏡為實(shí)現(xiàn)變焦的性能，必 須使用復(fù)雜的透鏡結(jié)構(gòu)，再加上配套的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使得其體積和重量超出普通定焦鏡頭數(shù) 倍，雖然避免了更換部件的步驟，但是給設(shè)備的攜帶和安裝帶來了額外的負(fù)擔(dān)，制約了其在 工程和安防領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。
[0005] 2、隨著攝像機(jī)象素?cái)?shù)的提高和圖像處理技術(shù)的進(jìn)步，演變出了數(shù)字圖像放大的技 術(shù)，利用圖像超高的分辨率，再結(jié)合多種數(shù)字圖像算法的使用，可以在直接在畫面上實(shí)現(xiàn)部 分區(qū)域圖像的放大和縮小，從而實(shí)現(xiàn)改變系統(tǒng)成像效果的目的。這種技術(shù)在拍攝單幅照片 的情況下能夠獲得很好的實(shí)際效果。但是在拍攝視頻圖像時，由于視頻分辨率低，數(shù)據(jù)量 大，并受到圖像處理器性能的影響，在進(jìn)行數(shù)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(xiàn)象，從而制約了該技術(shù)的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種基于離軸光路技術(shù)的攝像系統(tǒng)，通過 在攝像機(jī)靶面中心軸與成像物鏡主光軸之間設(shè)定偏移量，形成了離軸視角，結(jié)合小畫幅攝 像機(jī)和大畫幅定焦鏡頭的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)攝像機(jī)靶面停留在某一位置時，鏡頭與攝像機(jī)靶面 形成了一組系統(tǒng)組合，當(dāng)控制攝像機(jī)靶面圍繞物鏡主光軸旋轉(zhuǎn)，攝像機(jī)在鏡頭視野范圍內(nèi) 就獲得了一個更大的成像范圍，從而獲得了第二組系統(tǒng)組合。這樣就形成了一套擁有兩套 不同的視場角和目標(biāo)占幅比參數(shù)的成像系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，而且在兩種參數(shù)下?lián)碛?相同的圖像清晰度。同時攝像系統(tǒng)在對目標(biāo)進(jìn)行拍攝時，由于存在離軸視角，不需要設(shè)備鏡 頭正對目標(biāo)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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 一種基于離軸光路技術(shù)的攝像系統(tǒng)，包括成像物鏡、攝像機(jī)、姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)，所述 成像物鏡、攝像機(jī)、姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)在光的傳播方向上依次排列；其中，攝像機(jī)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(tài)控制結(jié)構(gòu)連接于所述攝像機(jī)并控制其繞著成像物鏡的主 光軸旋轉(zhuǎn)。
[0010] 進(jìn)一步地，需要說明的是，所述姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)包括主動齒輪、定位齒輪、電機(jī)和齒 輪箱，所述定位齒輪和所述主動齒輪設(shè)于所述齒輪箱內(nèi)，所述定位齒輪一端連接于所述攝 像機(jī);所述主動齒輪連接于所述電機(jī)的輸出軸，并與所述定位齒輪嚙合。
[0011] 更進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)軸端部落于 所述齒輪箱所設(shè)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(shè)置的最大離軸偏移量。
[0014] 需要說明的是，攝像機(jī)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(shù)的攝像系統(tǒng)的方法，包括如下步驟：
[0016] 步驟S1使成像物鏡、攝像機(jī)、姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)在光的傳播方向上依次排列，并使攝像 機(jī)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(jì)算：
[0017]
[0018] 其中R為成像物鏡視野半徑，a、b分別為攝像機(jī)靶面的長和寬，其中為了保證成像 物鏡視野中心區(qū)域良好成像，還應(yīng)滿足攝像機(jī)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(jī)直接與定位齒輪的一個端面進(jìn)行定位安裝，定位齒輪端的安裝孔位與定 位齒輪的轉(zhuǎn)軸之間設(shè)定離軸偏移量d，以使定位齒輪旋轉(zhuǎn)時帶動攝像機(jī)圍繞成像物鏡主光 軸作圓周運(yùn)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(zhuǎn)的同步性，而所述 主動齒輪連接于所述電機(jī)的輸出軸;所述定位齒輪、主動齒輪均安裝于齒輪箱內(nèi)，由齒輪箱 來限制定位齒輪的轉(zhuǎn)動空間。
[0021 ]上述基于離軸光路技術(shù)的攝像系統(tǒng)的工作方法為：
[0022]通過設(shè)定離軸偏移量d，使攝像機(jī)靶面與成像物鏡主光軸之間形成離軸偏轉(zhuǎn)角α， 攝像機(jī)在成像物鏡視野內(nèi)的離軸位置全畫幅成像，由姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)控制攝像機(jī)圍繞成像物 鏡主光軸做半徑為d的圓周運(yùn)動，同時控制攝像機(jī)靶面的方向在轉(zhuǎn)動過程中不發(fā)生變化，保 證所拍攝的畫面始終維持正向。
[0023]本發(fā)明的有益效果在于：
[0024]首先，本發(fā)明采用離軸技術(shù)，使攝像機(jī)靶面與成像物鏡的主光軸間形成一定的離 軸偏轉(zhuǎn)角，從而能夠獲得成像物鏡邊緣視場的圖像;離軸偏轉(zhuǎn)角α的計(jì)算公式為：
[0025]
[0026] 其中，d為離軸光路中實(shí)際的離軸偏移量，f7是成像物鏡的焦距。
[0027] 其次，通過姿態(tài)控制機(jī)制，使攝像機(jī)在成像物鏡視野內(nèi)圍繞主光軸旋轉(zhuǎn)，從而獲得 鏡頭的全部視場角內(nèi)的圖像信息，相對于大畫幅的攝像機(jī)直接成像，提高了全鏡頭視場角 內(nèi)圖像的分辨率。
[0028]全畫幅視場角計(jì)算公式為：
[0029]
5
[0030] 子畫幅視場角計(jì)算公式為：
[0031]
[0032] c是攝像機(jī)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(shù)Θ和短焦端的視場角參數(shù)0sub。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明原理不意圖；
[0034] 圖2為實(shí)施例中系統(tǒng)截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖3為攝像系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)指標(biāo)計(jì)算原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，需要說明的是，本實(shí)施例以本技術(shù)方 案為前提，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于本實(shí)