光学成像系统及摄像机的制作方法

本实用新型涉及光学成像领域，具体而言，涉及一种光学成像系统及摄像机。

背景技术：

当摄像机的镜头对某一物体聚焦清晰时，垂直镜头光轴的同一平面(即物面)上的物方点，都可以在接收器上形成清晰的图像，物面前后一定范围的点也可以形成较清晰的图像，该物面前后范围之间的间距，称为摄像机的景深。摄像机的景深越大，意味着其可以对更大范围内的物体进行清晰成像，因此，对景深进行控制在机器视觉、视频监控等领域都有重要的意义。

其中，影响景深的主要有四个因素：

1)镜头光圈：光圈越小，即光圈值(F#)越大，景深越大；

2)镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；

3)拍摄距离：拍摄距离越远，景深越大；拍摄距离越近，景深越小；

4)感光元件像元的尺寸：感光元件像元尺寸越大，景深越大。

一般而言，在选定了摄像机并确定拍摄场景后，镜头焦距、拍摄距离和感光元件像元的尺寸可以改变的余量不大。因此，通常通过改变的是镜头光圈的大小，来对景深进行控制。在许多需要提升景深的情况下，会通过将镜头光圈尽量缩小从而使提升景深深度。但缩小光圈主要存在两个问题：其一，是当缩小镜头光圈后，会由于进入感光元件的光线随光圈的缩小而减少，导致通过感光元件得到图像变得非常暗；其二，是当光圈小到一定程度后，由于光的衍射效应变得明显，导致原来清晰成像的像点逐渐形成一个较大的弥散斑，使图像清晰度的下降。

在现有技术中，一种方法可以通过采用液态镜头调焦的方式增加摄像机的景深。其原理为：液态镜头的焦距可以通过直流电压动态地进行调节，当驱动电压发生变化时，镜头的焦点随之前后移动，因此可以通过电压信号来控制镜头所聚焦的物体。因其调焦方式类似于人眼，具有响应速度快，寿命长等优点。但是，由于该种镜头价格昂贵，不利于大规模推广，且成像质量相比传统的光学镜头尚有不足。

在现有技术中，另外一种广泛使用的方法，通过反卷积的图像处理方法，对图像进行处理。其原理为：图像的离焦模糊从信号处理的角度来说，可以看做镜头处于离焦位置的点扩散函数与输入图像进行卷积运算的结果。因为镜头离焦的点扩散函数有相对简单的数学模型，可以通过预先进行估计和建模；利用维纳滤波的方法，把输入图像还原出来。当拍摄一幅离焦图像以后，利用不同反卷积对应的数学模型，可以还原出不同物距处的清晰图像。上述方法具有适应性广、且不需要增加额外的光学元件等优点，通过一幅图像即可获得不同物距的清晰图像；但是，由于反卷积运算的计算量很大，需要消耗大量的计算资源造成硬件成本的增加，并且在反卷积运算处理的过程中，由于图像中的噪点也会随之放大，导致图像质量的下降。

针对上述现有技术中由于增加景深深度，导致的图像质量变差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种光学成像系统及摄像机，以至少解决现有技术中由于增加景深深度，导致的图像质量变差的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种光学成像系统，包括：用于采集成像光束的镜头组件、用于通过旋转成像光束的偏振方向以改变成像光束的相位延迟量的相位延迟器、用于调节成像光束的焦点位置的双折射元件和感光组件，其中，光学成像系统还包括：传感器，沿镜头组件的光轴方向设置，用于感应得到待测物体的位置信号；驱动电路，分别与传感器、相位延迟器电连接，用于根据感应得到的位置信号调节相位延迟器。

进一步地，镜头组件包括：镜头和偏振片，其中，镜头设置于近物体侧，或偏振片设置于近物体侧。

进一步地，传感器至少包括：位置传感器，位置传感器沿镜头组件的光轴方向设置，与驱动电路电连接，用于根据待测区域中物体的位置生成第一感应信号，并发送至驱动电路，驱动电路根据第一感应信号控制相位延迟器。

进一步地，光学成像系统还包括：编码器，编码器分别与传感器和驱动电路电连接，用于根据位置传感器获取的第一感应信号驱动电路。

进一步地，光学成像系统还包括：相机控制电路，相机控制电路与感光组件电连接，用于根据第一感应信号控制感光组件获取成像光束。

进一步地，传感器还包括：物体检测传感器，通过编码器与相机控制电路电连接， 用于根据待测区域中是否存在物体生成第二感应信号，并发送至相机控制电路，相机控制电路根据第二感应信号控制位置传感器获取第一感应信号。

进一步地，相位延迟器为液晶相位延迟器。

进一步地，双折射元件由冰洲石晶体构成。

进一步地，双折射元件由钒酸钇或铌酸锂晶体构成。

根据本实用新型实施例的另一方面，还提供了一种摄像机，包括上述任意一项的光学成像系统。

在本实用新型实施例中，提供了一种光学成像系统，包括：用于采集成像光束的镜头组件、用于通过旋转成像光束的偏振方向以改变成像光束的相位延迟量的相位延迟器、用于调节成像光束的焦点位置的双折射元件和感光组件，其中，光学成像系统还包括：传感器，沿镜头组件的光轴方向设置，用于感应得到待测物体的位置信号；驱动电路，分别与传感器、相位延迟器电连接，用于根据感应得到的位置信号调节相位延迟器。实现了增加光学系统景深的效果，进而解决了现有技术中由于增加景深深度，导致的图像质量变差的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种光学成像系统的结构示意图；

图2(a)是入射光的偏振方向示意图；

图2(b)是经过横向偏振片后光线偏振方向示意图；

图2(c)是经过相位延迟器后光线偏振方向示意图；

图2(d)是经过相位延迟器后光线偏振方向示意图；

图2(e)是经过双折射元件后光线偏振方向示意图；

图2(f)是经过双折射元件后光线偏振方向示意图；

图3是o光和e光成像点的示意图；

图4是景深的原理示意图；

图5是o光和e光的远、近物距的示意图；

图6是根据本实用新型实施例的一种可选的光学成像系统的镜头组件的结构示意图；

图7是根据本实用新型实施例的一种可选的光学成像系统的镜头组件的结构示意图；

图8是根据本实用新型实施例的一种可选的光学成像系统的结构示意图；以及

图9是根据本实用新型实施例的一种可选的光学成像系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本实用新型实施例，提供了一种光学成像系统的实施例，图1是根据本实用新型实施例的光学成像系统的结构示意图，如图1所示，在上述系统中，包括：用于采集成像光束的镜头组件10、用于通过旋转成像光束的偏振方向以改变成像光束的相位延迟量的相位延迟器20、用于调节成像光束的焦点位置的双折射元件30和感光组件40，其中，光学成像系统还包括：传感器50，沿镜头组件10的光轴方向设置，用于感应得到待测物体的位置信号；驱动电路60，分别与传感器50、相位延迟器20电连接，用于根据感应得到的位置信号调节相位延迟器20。

其中，上述镜头组件10、相位延迟器20、双折射元件30和感光组件40，自物体侧开始，按照顺序排列。

具体的，如图2(a)所示，图2(a)为入射光的偏振方向示意图，镜头组件10产 生成具有特定偏振方向的线偏振光，如图2(b)所示的经过横向偏振片后光线偏振方向的示意图。相位延迟器20可以动态改变线偏振光的相位延迟的量。如果相位延迟为零，出射光的偏振方向和入射光平行，如图2(c)所示；如果相位延迟为π，出射光的偏振方向和入射光垂直，如图2(d)所示。双折射元件30垂直晶体三个主轴中的其中一个主轴方向切割为平晶，并使得另外两个主轴方向分别与上述平晶处于0°和90°方向平行，其中，图2(e)示出了相位延迟为零时出射光的偏振方向，图2(f)示出了相位延迟为π时出射光的偏振方向。因为这两个方向的折射率不同，因此入射的与偏振方向对应的线偏振光在双折射元件内部有不同光程，从而使聚焦位置产生差别，以达到相当于调焦的作用。

其中，双折射元件可以用石英或者冰洲石等常见的双折射元件制作。对于石英晶体，其0°和90°方向的折射率分别为no＝1.544，ne＝1.553(λ＝589nm)，对于冰洲石晶体，no＝1.6584，ne＝1.4864(λ＝589nm)。而对于厚度为d，折射率为n的平板材料，其对成像光束的会聚点延迟量t为：

所以，对于o光和e光，其会聚点的差异值Δt为：

当o光和e光都聚焦在像面上时，可以反推得到对应的物距uo和ue之间的关系：

其中，图3为o光和e光像点相对位置的示意图，如图3所示，uo为o光对应的物距，ue为e光对应的物距，f为镜头的焦距。从上面两式显然可以看出，只要选择合适的双折射材料，并确定平晶的厚度d，就可以控制物方聚焦位置的差异。

由光学镜头构成的景深原理如图4所示，当处于标称物距r₀的待测物经过镜头M的成像光束会聚在标称像面S上时，在标称物距r₀前后一定范围内的物体，其成像在标称像面S上形成一个小的弥散斑，也可以认为是清晰成像，此时清晰成像的最近物距称为近物距r₂，最远物距称为远物距r₁。远物距r₁和近物距r₂之间的空间距离称为景深r。

如图5所示，图5为使用o光和e光成像实现加大景深的示意图。假定图中晶体内部o光的折射率小于e光，导致o光的标称物距or₀大于e光的标称物距er₀。通过上面的公式控制滤光片的厚度d，可以使得o光的近物距or₂正好在e光的远物距er₁ 略微偏内的范围内，这样o光成像的景深范围or和e光成像的景深范围er起到加成的作用，无论成像物体是在o光范围和e光范围内，通过改变相位延迟器的相位延迟量，也就是分别利用o光或者e光成像，总是可以得到清晰的成像。

当位置传感器感应待测物的距离，通过编码器转换为数字信号，驱动电路控制相位延迟器的相位延迟量，实现o光或者e光成像，从而实现动态检测远处或者近处待测物的功能。

通过上述自物体侧开始的顺序，依次排列的镜头组件10、相位延迟器20、双折射元件30和感光组件40，利用相位延迟器20产生偏振方向可变的偏振光，双折射元件30对不同偏振方向的光折射率不同，从而产生不同的光程，使得成像光束可以聚焦于不同的景深深度，从而实现了增加光学系统景深的效果，解决了现有技术中由于增加景深深度，导致的图像质量变差的技术问题。

作为一个可选的实施例，如图6和图7所示，镜头组件10包括：镜头11和偏振片12，其中，镜头11设置于近物体侧，或偏振片12设置于近物体侧。

具体的，通过镜头11接收到的成像光束，经过偏振片12后变成特定偏振方向的线偏振光。其中，镜头11和偏振片12的前后位置可以互换，并不影响效果。

作为一个可选的实施例，偏振片的功能还可以通过在镜头上的片振膜等方式实现，此处不做具体限定。

作为一个可选的实施例，如图8所示，传感器50至少包括：位置传感器501，位置传感器501沿镜头组件10的光轴方向设置，与驱动电路60电连接，用于根据待测区域中物体的位置生成第一感应信号，并发送至驱动电路60，驱动电路60根据第一感应信号控制相位延迟器20。

作为一个可选的实施例，如图8所示，光学成像系统还包括：编码器70，编码器70分别与传感器50和驱动电路60电连接，用于根据位置传感器501获取的第一感应信号驱动电路60。

作为一个可选的实施例，如图9所示，光学成像系统还包括：相机控制电路80，相机控制电路80与感光组件40电连接，用于根据第一感应信号控制感光组件40获取成像光束。

作为一个可选的实施例，如图9所示，传感器50还包括：物体检测传感器52，通过编码器70与相机控制电路80电连接，用于根据待测区域中是否存在物体生成第二感应信号，并发送至相机控制电路80，相机控制电路80根据第二感应信号控制位 置传感器501获取第一感应信号。

具体的，当待测物通过待测区域时，物体检测传感器52向编码器70发送第二感应信号，同时，位置传感器501给出待测物到光学成像系统的距离信息，编码器70根据物体的距离判断相位延迟器20的状态是否需要发生更改，即判断偏振方向是旋转90°还是不旋转90°。如果上一个待测物和当前待测物的物距在同一个景深的区间内，例如处于o光成像的景深范围内，那么相位延迟器20的状态就不需要发生更改，反之如果当前待测物距离变化为在e光的景深区间内，那么相位延迟器20的状态需要发生更改，使得成像光路的偏振态发生相应的变化，并改变当前的景深所处区间。在改变或者保持相位延迟器20的状态的同时，编码器70通过相机的I/O端口向相机内部相机控制电路80发出信号，并由感光组件40拍摄当前待测物的图片。这样就只有在有待测物通过检测区域时，相机才会拍摄图片，并且只有在待测物的距离改变到另一个偏振光所处的景深区间时才会改变相位延迟器20的状态。有利于减少动作次数，提高光学成像系统的整体寿命。

其中，物体检测传感器52可以沿镜头组件10的光轴方向设置，也可以与光轴方向垂直设置，当然也可以根据实际情况，以其他方向进行设置，此处不做具体赘述。

作为一个可选的实施例，相位延迟器为液晶相位延迟器。

具体的，利用相位延迟器或者液晶相位延迟器对o光和e光进行转换，其转换的延迟时间很小，具有反应快速的特点。并且由于在整个光学成像系统中不包含运动部件，所以运行过程中无任何噪声，且不存在磨损等问题，使系统的使用寿命大大延长。

作为一个可选的实施例，双折射元件由冰洲石晶体构成。

作为一个可选的实施例，双折射元件由钒酸钇或铌酸锂晶体构成。

作为一个可选的实施例，在上述实施例中任意一项的光学成像系统，可以应用于摄像机当中。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。