專利名稱：具有光學(xué)校正的罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用在監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)中的透明罩，主要用于防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)中。另外，本發(fā)明涉及一種包括根據(jù)本發(fā)明的透明罩的防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)。透明罩和防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)能被用于例如室內(nèi)和/或室外監(jiān)視，諸如監(jiān)視公共或私人建筑物或監(jiān)視車輛。
背景技術(shù)：
隨著諸如數(shù)字?jǐn)z像機(jī)系統(tǒng)等的現(xiàn)代攝像機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，光學(xué)監(jiān)視在各種技術(shù)領(lǐng)域變得越來越廣泛。因此，如今能發(fā)現(xiàn)監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)在公共或私人建筑物內(nèi)或在自動技術(shù)中用于室內(nèi)和/或室外監(jiān)視目的，諸如用于旅客檢查或觀察。
在一些這些應(yīng)用中，攝像機(jī)系統(tǒng)常遭受苛刻條件。因此，用于室外監(jiān)視目的時，攝像機(jī)系統(tǒng)通常遭受諸如天氣條件(例如，雨或雪)等的惡劣的環(huán)境條件。用于特別是公共建筑物的監(jiān)視應(yīng)用目的時，攝像機(jī)系統(tǒng)常遭受機(jī)械應(yīng)變，諸如受到人為破壞、刮刻或機(jī)械振動行為的影響。
為了保護(hù)攝像機(jī)系統(tǒng)并延長系統(tǒng)的壽命，從現(xiàn)有技術(shù)中已知有使用透明罩作為保護(hù)以免受到環(huán)境應(yīng)力或受到人為破壞影響的監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)。JP 2000 156810 A描述了一種罩蓋、一種罩?jǐn)z象機(jī)和形成罩蓋的裝置。該罩是由具有光學(xué)透明度的丙烯酸樹脂注塑成形。罩蓋的內(nèi)表面和外表面具有球形形狀。這些球形表面的中心偏差0.5mm。
然而，根據(jù)先前技術(shù)的已知光學(xué)罩通常顯示出不足和缺點(diǎn)。這些不足和缺點(diǎn)通常與攝像機(jī)(包括光學(xué)透鏡系統(tǒng))是被樞轉(zhuǎn)地放置在光學(xué)罩內(nèi)的這一事實(shí)有關(guān)。在罩內(nèi)攝像機(jī)的樞轉(zhuǎn)安裝確保了攝像機(jī)可以任意地瞄準(zhǔn)，以獲得操作攝像機(jī)人員所選擇的任意立體角的圖像。手動地或者使用鉸鏈吊掛式發(fā)動機(jī)，攝像機(jī)可以被指向瞄準(zhǔn)所選擇目標(biāo)或朝著被監(jiān)視空間的所需立體角的方向。
通常，諸如聚碳酸酯等的材料被用作為透明罩的透明材料。然而，特別是當(dāng)在水平方向或接近水平方向通過透明罩使攝像機(jī)瞄準(zhǔn)時，這些聚碳酸酯罩引起攝像機(jī)所獲圖像的色移。因此，取決于攝像機(jī)的光軸方向，特別是當(dāng)獲得水平或近水平的視野時，攝像機(jī)所獲圖像的圖像質(zhì)量受到波長的強(qiáng)烈影響。因此，取決于波長以及光軸角度的圖像畸變不可避免。
當(dāng)使用圓柱形狀的透明罩，例如包括圓柱部位和球冠的罩時，這些圖像畸變相當(dāng)嚴(yán)重。甚至如JP 2000 156810 A中所描述的球形形狀的透明罩也沒有完全解決畸變問題。另外，球形形狀的透明罩顯示出水平視野即平行或接近平行于天花板的視野非常困難的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明因此公開一種用于防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)中的透明罩，它消除了現(xiàn)有技術(shù)已知的系統(tǒng)的缺點(diǎn)。因此，一種監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)被公開，它在保持圖像質(zhì)量在可接受水平的同時，顯示出允許沿透明罩?jǐn)z像機(jī)被安裝的天花板表面觀察的長處。
透明罩包括本身包括內(nèi)表面和外表面的透明光學(xué)材料。外表面基本上繞第一對稱軸旋轉(zhuǎn)對稱，其中外表面的第一頂點(diǎn)位于第一對稱軸上。內(nèi)表面基本上繞第二對稱軸旋轉(zhuǎn)對稱，其中內(nèi)表面的第二頂點(diǎn)位于第二對稱軸上。
最好，第一對稱軸和第二對稱軸是相同的。然而，優(yōu)選地是第一對稱軸和第二對稱軸偏移不超過0.1mm，最優(yōu)選地是不超過0.05mm。另外，優(yōu)選地是對稱軸相對于彼此傾斜不超過2mrad，最優(yōu)選地不超過1mrad。
光學(xué)材料具有基本上環(huán)形的安裝面，它能被用于安裝透明罩到天花板表面或任何其他平坦表面上或到單獨(dú)安裝塊上。
根據(jù)本發(fā)明的透明罩與現(xiàn)有技術(shù)已知的透明罩在光學(xué)材料的內(nèi)和外表面的形狀上有區(qū)別。外表面和內(nèi)表面都顯示非球形形狀。
最好，內(nèi)表面和/或外表面基本上顯示出偶多項式函數(shù)的形狀。最優(yōu)選地是，這些偶多項式函數(shù)次數(shù)不超過18，更好不超過16，且最好不超過14。“次數(shù)不超過14”被理解為，高于14次的多項式系數(shù)比起在兩次和十四次之間的多項式系數(shù)是可忽略的(舉例來說，至少小兩個數(shù)量級)。最優(yōu)選地是，四次或更高次的多項式系數(shù)(無量綱的)比內(nèi)和外表面的多項式函數(shù)的二次多項式系數(shù)小至少三個數(shù)量級，最好是小至少四個數(shù)量級。
最優(yōu)選地是，光學(xué)材料包括聚—聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和/或聚碳酸酯。最優(yōu)選地是，光學(xué)材料在波長大約540nm具有大約n＝1.65的折射率。有利的是，光學(xué)材料制成在光學(xué)區(qū)內(nèi)表面和外表面的表面粗糙度都好于3 diamonds，3 diamonds也被表示為P3(根據(jù)ISO10110，拋光質(zhì)量)。在光學(xué)區(qū)透明罩不應(yīng)包含模糊部分。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，光學(xué)材料的內(nèi)表面和外表面被成形為使得透明罩即光學(xué)材料具有厚度變化。在下文中光學(xué)材料的厚度垂直于透明罩的光學(xué)材料的外表面測量。
因此，從第一頂點(diǎn)到環(huán)形安裝面的厚度變化具有最大值至少為2％的變化(即最大厚度減去最小厚度，除以最大厚度)，最好至少為6％，且更好是8％。取決于光學(xué)計算的起點(diǎn)和其他光學(xué)設(shè)計的約束，最好是厚度變化不超過10％。厚度在第一頂點(diǎn)處可以顯示出最大值，最好是總體極大值。另外，光學(xué)材料的厚度可以是從第一對稱軸到光學(xué)材料的外表面上測量點(diǎn)的間隔x的多項式函數(shù)。
另外，防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)包括根據(jù)上面所公開的實(shí)施例之一的透明罩，它還包括被安裝在透明罩內(nèi)的攝像機(jī)，如上面所公開的，這個攝像機(jī)可以包括光學(xué)傳感系統(tǒng)(例如，CCD芯片或其他任何成像系統(tǒng))、以及透鏡系統(tǒng)。最優(yōu)選地是，透鏡系統(tǒng)顯示總焦距大于15mm。攝像機(jī)在透明罩內(nèi)繞樞轉(zhuǎn)點(diǎn)可樞轉(zhuǎn)地被安裝。最好是(但不是必須)，樞轉(zhuǎn)點(diǎn)位于第一或更好是第二對稱軸上(如上文所公開的，因此第一和第二對稱軸相同)。對于樞轉(zhuǎn)點(diǎn)定位，2mm的公差，最好是1mm的公差是可接受的。因此，樞轉(zhuǎn)點(diǎn)可以位于例如第一和第二對稱軸的1mm處。
攝像機(jī)的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)可以沿第一或第二對稱軸偏移或任意選擇。最優(yōu)選地是，樞轉(zhuǎn)點(diǎn)選擇在沿第一或第二對稱軸的位置，使得樞轉(zhuǎn)點(diǎn)和光學(xué)材料的內(nèi)表面之間的間隔在任何攝像機(jī)可達(dá)到的方向大體上不變。
因此，樞轉(zhuǎn)點(diǎn)可以按以下方式選擇樞轉(zhuǎn)點(diǎn)和位于內(nèi)表面上與第一或第二對稱軸距離x的位置處的任意點(diǎn)之間的距離是x的函數(shù)，其中蓋函數(shù)的曲線顯示最大值在x＝0處。換句話說，從樞轉(zhuǎn)點(diǎn)筆直向下看，樞轉(zhuǎn)點(diǎn)和內(nèi)表面之間的距離可以是最大值。最優(yōu)選地是，如上面所指出的，這個最大值是相當(dāng)“平坦”的最大值，這意味著，對于透明罩內(nèi)的攝像機(jī)可達(dá)到的角度，在樞轉(zhuǎn)點(diǎn)和內(nèi)表面上任意點(diǎn)之間的變化不超過25％，更好的是15％。
使用根據(jù)所述實(shí)施例之一的透明罩的、上面所公開的攝像機(jī)系統(tǒng)，對于焦距長至35mm的透鏡和開啟至F/2(F是光圈數(shù)，因此光圈數(shù)＝2)的透鏡顯示出好的圖像質(zhì)量。大體上如上面所公開的光學(xué)罩的壁厚輪廓使超過天花板視野的視角成為可能，例如，95°和更大的視角(第一或第二對稱軸與攝像機(jī)的觀察方向之間的角度)。
對于這些視角，光學(xué)性能的變化仍然在容許的數(shù)值范圍之內(nèi)。因此，對于這些視角，遍及可獲得的視角范圍，色移和圖像畸變顯示出相當(dāng)小的變化。這就允許例如四點(diǎn)自動柱基識別，諸如使用圖像處理例行程序在通過使用根據(jù)本發(fā)明的透明罩的監(jiān)視攝像機(jī)所獲得的圖像內(nèi)檢測某些目標(biāo)。


將參考下面給出的圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1A到1C顯示了防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)的代表性實(shí)施例，攝像機(jī)瞄準(zhǔn)三個不同方向；
圖2顯示使用于根據(jù)圖1A到1C的監(jiān)視攝像機(jī)中的透明罩的厚度輪廓；圖3顯示作為根據(jù)圖2的實(shí)施例的視角的函數(shù)的透明罩的厚度輪廓；和圖4顯示根據(jù)圖2的透明罩的厚度輪廓，以作為離對稱軸的距離x的函數(shù)給出。
具體實(shí)施例方式
在圖1A到1C中，描述了能被安裝到天花板112的防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)110的優(yōu)選實(shí)施例。監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)110包括下面將更詳細(xì)描述的透明罩114。透明罩114包括內(nèi)表面116和外表面118，內(nèi)表面116和外表面118都具有根據(jù)下面詳細(xì)描述的多項式函數(shù)的錐形形狀。內(nèi)表面116和外表面118都繞對稱軸120旋轉(zhuǎn)對稱。因此，如上所述，在這個優(yōu)選實(shí)施例中，外表面118的第一對稱軸和內(nèi)表面116的第二對稱軸是相同的。另外，外表面118具有位于對稱軸120上的第一頂點(diǎn)122。同樣，內(nèi)表面116包括第二頂點(diǎn)124，也位于對稱軸120上。
另外，透明罩114包括環(huán)形安裝面126，它在向上方向中止透明罩114。透明罩114可以通過這個環(huán)形安裝面直接被安裝到天花板112，或可例如包括監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)110的電子部件和/或光學(xué)部件的附加安裝塊可以被安裝在透明罩114和天花板112之間。另外，透明罩114可以被安裝在是攝像機(jī)128的一部分的攝像機(jī)外殼上。攝像機(jī)128可使用單獨(dú)的安裝箱或安裝塊被安裝到天花板112或壁上。
根據(jù)圖1A到1C中的代表性實(shí)施例的監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)110還包括攝像機(jī)128。該攝像機(jī)128在圖1A到1C中僅僅象征性地繪出且包括透鏡系統(tǒng)130和圖像檢測器132。如圖1A到1C中所顯示的攝像機(jī)128對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是熟知的。
根據(jù)圖1A到1C的攝像機(jī)128具有光軸134。攝像機(jī)128繞樞轉(zhuǎn)點(diǎn)136可樞轉(zhuǎn)地安裝。對于光學(xué)計算和設(shè)計，樞轉(zhuǎn)點(diǎn)136是起點(diǎn)。在圖1A到1C中，樞轉(zhuǎn)點(diǎn)136位于對稱軸120上——不必一定是這種情況。攝像機(jī)128可以手動地或者使用機(jī)動定位系統(tǒng)繞樞轉(zhuǎn)點(diǎn)136旋轉(zhuǎn)。必須指出，攝像機(jī)128的光學(xué)部件不必按比例畫出，這解釋了在圖1A和1B中的圖像檢測器132可位于天花板112中。另外，為了計算和考慮透明罩114的透鏡像差，在光學(xué)設(shè)計中象征性地使用“理想”透鏡系統(tǒng)130。對“真實(shí)”透鏡系統(tǒng)130，圖像檢測器132通常在透明罩114的區(qū)域內(nèi)，而不是天花板112內(nèi)。
在圖1A到1C中，顯示了攝像機(jī)128的不同旋轉(zhuǎn)位置。攝像機(jī)128的對稱軸120和光軸134之間的角度用表示。根據(jù)定義，在圖1A中，其中，攝像機(jī)128從天花板112筆直指向下，角度等于零。在圖1B中，顯示的是攝像機(jī)128在大約40°的角度的位置。在圖1C中，顯示所謂的“超出天花板視野”，在這種情況下，包括光軸134和對稱軸120之間的95°的角度。使用根據(jù)圖1A到1C的錐形形狀的透明罩114的監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)110的主要優(yōu)點(diǎn)是可以獲得角度≥90°的天花板視野，而沒有主圖像畸變或圖像降質(zhì)。
在圖2中，顯示了根據(jù)圖1A到1C的監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)110的透明罩114的優(yōu)選實(shí)施例。透明罩114包括光學(xué)材料138，在這個代表性實(shí)施例中它由聚碳酸酯制成。作為另一種選擇，可以使用PMMA或其他透明材料諸如透明塑料材料或玻璃等。
圖2顯示作為任意點(diǎn)和對稱軸120之間距離x(以mm給出)的函數(shù)的幾個曲線，在這個圖中，對稱軸120就是y軸。首先，在圖2中，內(nèi)表面116和外表面118被顯示為距離x的函數(shù)。在根據(jù)圖2的這個曲線中，y軸的原點(diǎn)被選擇為與第一頂點(diǎn)122相同。沿對稱軸120的光學(xué)材料138的厚度，即第一頂點(diǎn)122和第二頂點(diǎn)124之間的距離，被選擇為3.20mm。容許大約多至0.2mm的偏差。
內(nèi)表面116和外表面118以函數(shù)表達(dá)的形狀通過使用市場上可買到的光學(xué)優(yōu)化軟件使遍及可見光譜和近紅外光譜的光學(xué)畸變以及色彩幻象最小來優(yōu)化。因此，對于本發(fā)明的這個優(yōu)選實(shí)施例，外表面118被選擇具有根據(jù)下面函數(shù)的理論形狀o(x)＝0.011138137x2+6.454381·10-7x4+3.5837465·10-9x6-3.2059279·10-12x8+1.6916882·10-15x10-3.7017898·10-19x12+2.8714374·10-23x14(1)同樣，內(nèi)表面116被選擇具有根據(jù)下面函數(shù)的理論形狀i(x)＝0.011913547x2+5.5535209·10-7x4+5.7019309·10-9x6-6.3174385·10-12x8+4.1409087·10-15x10-1.2425797·10-18x12+1.5271156·10-22x14+3.20 (2)然而，由于這些是理論函數(shù)，大約±0.05mm的函數(shù)值o(x)和/或i(x)的偏差估計是容許的，偏差最好是0.02mm，仍能帶來容許的光學(xué)結(jié)果。
另外，在圖2中，顯示了在對稱軸120上的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)136。根據(jù)圖2，在這個優(yōu)選的代表性實(shí)施例中，樞轉(zhuǎn)點(diǎn)136被選擇位于第一頂點(diǎn)122之上49.0mm的y軸位置。
另外各種觀察方向在圖2中通過虛擬的“觀察射線”140顯示。如在圖1A到1C已提到的那樣，這些射線140的每一個包括與對稱軸120的角度。這些觀察射線140的每一個在各個點(diǎn)A射到光學(xué)材料138的內(nèi)表面116。樞轉(zhuǎn)點(diǎn)136和點(diǎn)A之間的距離取決于角度。
曲線142顯示樞轉(zhuǎn)點(diǎn)136和點(diǎn)A之間的間隔，即觀察射線140的長度，是點(diǎn)A和對稱軸120之間距離的函數(shù)，即是點(diǎn)A的x坐標(biāo)的函數(shù)?？梢钥闯?，對于如圖2中所顯示的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)136的選擇，曲線142顯示出在對稱軸120上即在x＝0處的相當(dāng)平坦的最大值144。在大約x＝40mm處，對應(yīng)于角度＝70°，曲線142顯示最小值。對于距離x＞40mm，曲線142快速上升。然而，對于大約多至95°的角度，樞轉(zhuǎn)點(diǎn)136和內(nèi)表面116之間的距離142的變化顯示不超過15％到20％的變化。為了避免在攝像機(jī)128旋轉(zhuǎn)過程中攝像機(jī)128和透明罩114碰撞，曲線142的最小值位置的知識對于攝像機(jī)128的外尺寸的機(jī)械設(shè)計是個重要因素。
在圖3和4中，以兩種不同模式顯示了根據(jù)如圖2中所示的優(yōu)選實(shí)施例的透明罩140的光學(xué)材料138的厚度變化。因此，在圖3中，厚度(y軸，以mm給出)被顯示為對稱軸120和圖2中所顯示的虛擬的觀察射線140之間的角度的函數(shù)。這里，如圖4中，厚度垂直于外表面118被測量。
在圖4中，光學(xué)材料138的厚度(y軸，以mm給出)以外表面118上的測量點(diǎn)和對稱軸120(曲線150)之間的距離的函數(shù)被給出。因此，圖3中的曲線148和圖4中的曲線150都描繪了在不同坐標(biāo)系中的光學(xué)材料138的厚度。
另外，在圖4中，光學(xué)材料138的內(nèi)表面116和外表面118又以離對稱軸120的距離x的函數(shù)來顯示。右y軸(以mm給出)適用于曲線116和118。
從圖3和圖4可以看出，都表示光學(xué)材料138厚度的曲線148和150分別在＝0或x＝0處顯示最大值。分別在大約＝70°或x＝40mm處，厚度148、150顯示最小值。如圖3中所顯示的，最小值和最大值之差Δ大約是0.27mm。因此，在這個代表性實(shí)施例中的總厚度變化是0.27mm除以3.20mm，大約對應(yīng)于8.4％。如圖3和4中所顯示的厚度變化是本發(fā)明一個重要特征、并有助于根據(jù)本發(fā)明的透明罩114的好的光學(xué)性能。厚度函數(shù)能從如公式(1)和(2)(見上文)所給出的外表面和內(nèi)表面的函數(shù)計算出。
權(quán)利要求
1.一種用于防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)(110)的透明罩(114)包括透明光學(xué)材料(138)，透明光學(xué)材料(138)包括內(nèi)表面(116)和外表面(118)，其中外表面(118)繞第一對稱軸(120)基本上旋轉(zhuǎn)對稱，外表面(118)的第一頂點(diǎn)(122)位于第一對稱軸(120)上，內(nèi)表面(116)繞第二對稱軸(120)基本上旋轉(zhuǎn)對稱，內(nèi)表面(116)的第二頂點(diǎn)(124)位于第二對稱軸(120)上，第一對稱軸(120)和第二對稱軸(120)基本上是平行的，且外表面(118)和內(nèi)表面(116)都具有非球形形狀。
2.如前述權(quán)利要求所述的透明罩(114)，其特征在于，外表面(118)和/或內(nèi)表面(116)基本上具有偶多項式函數(shù)o(x)，i(x)的形狀。
3.如前述權(quán)利要求所述的透明罩(114)，其特征在于，多項式函數(shù)o(x)，i(x)的次數(shù)不超過18，優(yōu)選地不超過16，且最優(yōu)選地不超過14。
4.如前述兩個權(quán)利要求任一所述的透明罩(114)，其特征在于，四次或更高次的多項式函數(shù)o(x)，i(x)的量綱多項式系數(shù)比起多項式函數(shù)o(x)，i(x)的二次多項式系數(shù)小至少三個數(shù)量級，優(yōu)選地小至少四個數(shù)量級。
5.如前述權(quán)利要求任一所述的透明罩(114)，其特征在于，內(nèi)表面(116)和外表面(118)被成形為使得透明光學(xué)材料(138)具有厚度變化。
6.如前述權(quán)利要求所述的透明罩(114)，其特征在于，在透明罩(114)上的相對厚度變化至少是2％，優(yōu)選地是6％，且更優(yōu)選地是8％，且優(yōu)選地不超過10％。
7.如前述兩個權(quán)利要求任一所述的透明罩(114)，其特征在于，厚度在第一頂點(diǎn)處具有最大值，優(yōu)選地是總體最大值。
8.如前述三個權(quán)利要求任一所述的透明罩(114)，其特征在于，在外表面(118)上與第一對稱軸間隔距離x的點(diǎn)處的厚度是多項式函數(shù)f(x)。
9.一種防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)(110)，包括如前述權(quán)利要求任一所述的透明罩(114)和被安裝在透明罩(114)內(nèi)的攝像機(jī)(128)，其中，攝像機(jī)(128)可繞樞轉(zhuǎn)點(diǎn)(136)樞轉(zhuǎn)。
10.如前述權(quán)利要求所述的防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)(110)，其特征在于，樞轉(zhuǎn)點(diǎn)(136)位于第二對稱軸(120)上。
全文摘要
提出了一種用于防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)(110)中的透明罩(114)，透明罩(114)包括透明光學(xué)材料(138)，光學(xué)材料(138)本身包括內(nèi)表面(116)和外表面(118)。表面(116，118)都基本上旋轉(zhuǎn)對稱且顯示非球形形狀。另外，提出了一種包括根據(jù)本發(fā)明的透明罩(114)和可樞轉(zhuǎn)地安裝在透明罩(114)內(nèi)的攝像機(jī)(128)的防破壞監(jiān)視攝像機(jī)系統(tǒng)(110)。
文檔編號H04N5/225GK1873515SQ20061000716
公開日2006年12月6日 申請日期2006年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月2日
發(fā)明者彼得·奧普梅爾 申請人:羅伯特·博世有限公司