专利名称：光学图像转换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学图像转换系统，其具有面向物体的记录透镜，用于在第一图像平面上生成具有确定大小和景深的物体的实中间图像；具有设置在光路内的记录透镜后面的图像转换器，其朝向第一图像平面，用于在第二图像平面上生成物体的实主像；还具有位于光路内的棱镜装置，其中一个可透光的投影盘被设置在第一图像平面上。
这种类型的图像转换系统是已知的(EP0950912A2)，其中投影盘被设置在一个透镜管内的记录透镜的后面，一个图像转换透镜指向所述投影盘的背面，在其图像平面上设置有视频摄像机的照相底片或CCD图像接收器。由记录透镜在第一图像平面上生成的中间图像被投影到第二图像平面上，通过图像转换透镜使图像大小和/或图像格式相对于中间图像发生改变。这种系统允许使用相对较大的图像格式，例如在第一图像平面的区域内，侧边长为16、32或70mm，因此使用了商业上可获得的电影摄像机透镜用于这种格式。通过这种方式，能够获得低景深的照相机设置，而使用目前具有相对较小的接收芯片的视频摄像机则不可得到这种设置。此外，图像转换透镜确保了中间图像可以投影到视频摄像机的小视频芯片上，并记录在其上，该图像具有高辉度和预设的景深。图像转换系统还可以用于使用视频摄像机产生的图像和影片，这通常只能通过大型电影摄像机才能完成。通过这种方式，摄影者甚至不需要使用昂贵的胶片材料就能够拍摄具有专业效果的视频影片。尤其是由于景深能够在较宽范围内变化，这种效果可以被应用到电影拍摄的艺术设计中。
已有图像转换系统的缺点在于，光器件在光路内以线性方式前后排列导致相对较长和较重的构造。已有图像转换设备的另一个特性在于，通过使用另一个透镜会在主图像面内发生附加的图像转换。基本上，这可以通过采用适当的再现软件以相对简单的方式得到补偿。但是由于商业上可获得的视频摄像机是不可用的，已经提议(EP0950912A2)在光路内使用倒像棱镜装置，其可以设置在中间图像平面之前或之后。但是，使用这种装置也不能显著减小图像转换光器件的结构长度和/或重量。
由此出发，本发明基于改进前面提到的这种类型的已知图像转换系统的任务，使得能够显著减小结构长度，同时保持相同的光学特性。
为了完成这一任务，建议了权利要求1和29所述特征的组合。本发明的有利实施例和其他改进如从属权利要求所述。
根据本发明的技术方案主要基于以下思想，即通过适当地包括折射率大于空气折射率的棱镜光路，以及通过偏离棱镜装置的光路，可以显著减小图像转换系统的长度。为了实现这一点，根据本发明，建议将投影盘设置在棱镜装置内两个棱镜面之间的中间间隙内，这两个棱镜面互相面对且彼此平行。
根据本发明的一个优选实施例，投影盘位于棱镜装置内的一个平面中，该平面平行于记录透镜和/或图像转换透镜的光轴，其宽边表面互相平行。特别有利的是，记录透镜和图像转换透镜彼此轴向平行，因而基本可以实现同轴定向。
本发明的一个优选实施例中，棱镜装置作为一个整体被配置为一个光学图像转换单元。关于这一点，具有现实意义的是，棱镜装置内至少部分棱镜被组合成一个棱镜体(prism block)，从而为投影盘提供了一个由两个棱镜面所限定的空隙。为了避免中间图像平面区域内的污损，特别有利的是，投影盘的至少一个宽边面被粘合或粘结到相邻的棱镜面上。
投影盘可以配置为无光盘(matte disk)或光纤盘(fiber disk)。后一种情况下，光纤盘具有多个互相靠近排列的、平行于光路的光导纤维，其长度被截成盘的厚度。为了避免干涉光，具有现实意义的是，光纤盘的光导纤维被屏蔽以防止侧面的散射光。具有现实意义的是，光导纤维形成了投影盘内的表面栅格，它们最好由玻璃纤维构成，其具有可透光的玻璃芯和折射率较低的薄壁包层玻璃，以及内嵌的黑玻璃束。具有优点的是，光导纤维的直径小于0.01mm，最好是小于0.006mm。具有现实意义的是，投影盘的宽边表面被抛光到高闪度。光纤端面的高闪抛光使得投影盘的宽面上的光谱透射几乎降低到菲涅尔反射损耗的程度。
为了增强棱镜光路中的光输出，根据本发明的一个优选实施例，建议在光路内将至少一个凸透镜设置在投影盘之前和/或之后。所述凸透镜可以设置成平凸透镜或双凸透镜，或者是消色差透镜。关于这一点，所述的至少一个凸透镜可以设置在光路内的不同点上-直接位于投影盘之前和/或之后的自由空间处；-位于棱镜装置内的两个互相面对且彼此平行的棱镜面之间的自由空隙内；-位于棱镜装置的记录透镜和棱镜表面之间的自由空隙内。
已经证明，具有优点的是，在光路内位于投影盘之前的凸透镜的聚焦宽度大约是记录透镜和投影盘之间的直线视距的1/4。另一方面，在光路内位于投影盘之后的凸透镜的聚焦宽度应该是投影盘和图像转换透镜之间的直线视距的1/4。
在光路内使用附加的凸透镜已经证明是有利的，尤其当使用光纤盘作为投影盘时，因为可以用边缘较大和轮廓清晰的投影盘来实现图像传输。
根据本发明的一个优选实施例，带有投影盘的棱镜装置被设置在一个适配器外壳内，所述适配器外壳具有一个光学连接器和一个机械连接器，分别用于连接记录透镜和视频摄像机。在这一点上，具有现实意义的是，记录透镜被配置为标准电影摄像机或照相机的可换透镜。特别是可以采用16mm、35mm或70mm电影摄像机或小型照相机的可换透镜。
本发明的另一个有利的实施例中，视频摄像机的透镜构成了图像转换透镜，并且一个数字图像接收器，最好是配置为CCD传感器区域，被设置在视频摄像机内的第二图像平面中。
本发明的另一个特征在于，第二图像平面内的实主像的图像大小和/或格式不同于第一图像平面上的实中间图像。另外，可以在光路内设置用于失真格式改变的光学装置，从而另外提供了一个支持再现的图像处理软件，该软件具有用于补偿失真格式改变的程序。通过这种方式，可以在标准图像格式和宽屏图像格式(例如4∶3/16∶9)之间进行光学切换。用于失真图像转换的光学装置在光路上可以设置在棱镜装置内的，最好位于投影盘之后。它们例如可以通过交叉柱面透镜或棱镜装置内的适当棱镜底面构成。用于失真图像转换的光学装置也可以设置在图像转换透镜内，该图像转换透镜最好被配置为可换透镜。
在投影盘比较简单的情况下，光路总是会由于故障而中断。这导致了中间图像的错误，这些错误同时也会出现在第二图像平面上的成像过程中。为了消除这类系统错误，具有优点的是，投影盘与光路交叉设置或者旋转设置，其中具有现实意义的是进行振荡运动。为此目的而使用的旋转或移位装置例如被配置成一个与投影盘机械耦合的振荡器。关于这一点，振荡器的机械振动幅度应该大于投影盘内的光纤直径。
具有现实意义的是，根据本发明的图像转换系统的主要器件被组合到一个要设置在视频摄像机前面的适配器内，根据本发明，该适配器具有一个适配器外壳、位于适配器外壳内的棱镜装置、位于棱镜装置的两个互相面对的棱镜面之间的中间空隙内的投影盘、用于连接视频摄像机的透镜的连接开口、以及用于记录透镜的连接开口。因此，具有现实意义的是，根据本发明的图像转换系统与一个视频摄像机相连接地使用，其中该视频摄像机的透镜构成了图像转换透镜，而该视频摄像机的图像接收器被设置在第二图像平面上。记录透镜被配置成电影摄像机或照相机的可换透镜。最好采用35mm电影摄像机的可换透镜。但是，也可以有利地使用其他标准规格的可换透镜，如用于16mm或70mm电影摄像机、或者用于小型照相机的透镜。
下面将利用附图中简要示出的示例性实施例来详细描述本发明。如图所示
图1用于视频摄像机的光学图像转换系统的示意图；图2a到c根据图1的图像转换系统的三个侧视图；图3图像转换系统的投影盘的放大表示的顶视图；图4用于消除贯通错误的移动投影盘的图示；图5a到c与图2a到c相比改进后的图像转换系统的三个侧视图，在光路内具有两个凸透镜；图6a到c根据图5a到c的具有两个凸透镜的改进图像转换系统的图示；图7a到c改进的图像转换系统的三个侧视图，在光路内具有一个凸透镜；图8a到c具有一个凸透镜的另一种图像转换系统的三个侧视图；图9a到c具有两个凸透镜的改进图像转换系统的三个侧视图；图中所示的图像转换系统可以用于视频摄像机。这确保了商业上可获得的摄像机透镜能够被用于在视频摄像机的图像平面上产生高质量的透镜图像，其景深能够在很宽的限制内调整。
光学图像转换系统包括一个朝向物体的记录透镜10，用于在限定了第一图像平面12的可透光投影盘14上产生一个具有确定图像大小和景深的物体实中间图像。朝向投影盘14后部的图像转换透镜16在光路13上位于记录透镜10的后面，用于在第二图像平面18上产生一个实主像，这个实主像与中间图像相比，其图像大小和/或格式已经改变。另外，一个用于完成图像转换的棱镜装置20也位于光路13内，并具有一个通过输入窗21面向记录透镜的输入棱镜22，一个通过空隙24与输入棱镜22的输出窗26相耦合的偏转棱镜，一个通过其输入窗28与偏转棱镜26相耦合、并且通过其输出窗30面向图像转换透镜16的输出棱镜32。棱镜22、26和30可以互相组合，或者至少部分组合，以形成一个棱镜体。投影盘14位于棱镜装置20内的两个互相面对且彼此的平行棱镜面之间的空隙24内。如图所示，特别是在图2b中，投影盘14的宽边表面34’、34”相互平行，其在棱镜装置20中位于一个平行于记录透镜10的光轴36和图像转换透镜16的光轴38的平面内。所述棱镜装置主要用于图像转换，并且用于缩短图像转换系统的适配器长度。如图2b和2c所示，记录透镜10和图像转换透镜16的光轴36、38相互平行。
基本上，投影盘可以被配置成无光盘(matte disk)。本发明的一个优选实施例中，投影盘被配置成光纤盘，其具有多个互相靠近排列的、平行于光路13的光导纤维40，其长度被截成盘的厚度。光导纤维40构成了投影盘14内的表面栅格(图3)。具有现实意义的是，它们由玻璃纤维构成，所述玻璃纤维具有可透光的玻璃芯42和折射率较低的薄壁包层玻璃44。为了具有低损耗的全反射，包层玻璃不能够太薄。另一方面，在包层玻璃较厚的情况下，充填密度比较低，这会导致有限的光学分辨率。但是，借助于相干光纤束之间的内嵌黑玻璃45，能够显著减小所使用的包层玻璃的壁厚度。充填密度的增加会导致光学分辨率的明显增加。光导纤维的直径大约是0.006mm，因此能够在成像过程中获得总的高分辨率。尽管如此，仍存在表面栅格内的缺陷导致第二图像平面18内出现系统图像错误的风险。为了消除图像误差，在进行拍摄的同时使投影盘14相对于光路13进行振荡或旋转交叉运动(箭头46、48、50)可能是有利的。为此目的，投影盘14可以与一个图中未示出的振荡器机械耦合。
在设置在视频摄像机内的第二图像平面中，有一个被配置成CCD半导体区域图像接收器(52)。
图5a、b、c到图9a、b、c所示的示例性实施例与图2a至c所示的图像转换系统的不同之处在于，在光学图像转换系统的光路内另外设置了至少一个凸透镜53、54、55和56。这些凸透镜主要是确保增强光路内的光输出。另一方面，这些凸透镜具有增强第二图像的边缘和轮廓清晰度的拍摄质量、以及粒度自由度的作用。
在图5a至c所示的示例性实施例的情况下，第一凸透镜53位于棱镜装置20的输入侧上记录透镜10和棱镜面21之间的自由空间内，而第二凸透镜54位于棱镜装置20内的两个相互面对且彼此平行的棱镜面之间的自由空隙内。透镜53的最佳聚焦宽度是记录透镜10和投影盘14之间距离的1/4，而透镜54的聚焦宽度是投影盘14和图像转换透镜16之间距离的1/4。
在图6a至c的情况下，得到了一种非常紧凑的配置，其中凸透镜55、56分别位于棱镜装置20的两个互相面对且彼此平行的棱镜面之间的共用空隙24内的投影盘14之前和之后。
在图7a至c到图8a至c的示例性实施例的情况下，分别省略了图6a至c所示的透镜中之一，使得分别只有一个透镜56或55与投影盘14一起位于两个棱镜面之间的空隙24内。
图9a至c所示的示例性实施例是对图5a至c所示示例性实施例的改进，其中第二透镜56和投影盘14一起放置在一个共用的空隙24内。
综上所述，提出了如下技术方案本发明涉及一种用于视频摄像机的光学图像转换系统。该图像转换装置包括一个面向物体的记录透镜10，用于在限定了第一图像平面12的可透光投影盘14上产生具有确定的图像大小和景深的物体实中间图像。另外，该图像转换系统还包括一个在光路13上设置在记录透镜10后面的图像转换透镜16，其面向投影盘14的背面，用于在第二图像平面18上产生物体的实主像，以及位于光路13内的棱镜装置20。为了获得图像转换系统的紧凑结构，根据本发明建议投影盘14位于棱镜装置内的两个互相面对且彼此平行的棱镜面之间的空隙24内。
权利要求
1.一种光学图像转换系统，具有面向物体的记录透镜(10)，用于在第一图像平面(12)上产生具有确定的图像大小和景深的实中间图像；具有在光路(13)内设置在记录透镜(10)后面的图像转换透镜(16)，其朝向第一图像表面(12)，用于在第二图像平面(18)上产生物体的实主像；还具有位于光路(13)内的棱镜装置(20)，其中一个可透光的投影盘位于第一图像平面(12)上，其特征在于，所述投影盘(14)被设置在棱镜装置(20)内的两个互相面对且彼此平行的棱镜面之间的中间空隙(24)内。
2.如权利要求1所述的图像转换系统，其特征在于，投影盘(14)位于棱镜装置(20)内的一个平行于记录透镜(10)的光轴(36)平面中，所述投影盘的宽表面(34’，34”)互相平行。
3.如权利要求1或2所述的图像转换系统，其特征在于，投影盘(14)位于棱镜装置(20)的一个平面内，所述平面平行于图像转换透镜(16)的光轴(38)，所述投影盘的宽表面(34’，34”)互相平行。
4.如权利要求1至3任一所述的图像转换系统，其特征在于，所述棱镜装置(20)被配置成一个光学倒像单元。
5.如权利要求1至4任一所述的图像转换系统，其特征在于，所述棱镜装置中的至少部分棱镜(22，26，32)被组合成一个棱镜体。
6.如权利要求5所述的图像转换系统，其特征在于，所述棱镜体具有由两个棱镜面所限定的一个空隙(24)，用于容纳投影盘(14)。
7.如权利要求1至6任一所述的图像转换系统，其特征在于，投影盘(14)的宽边表面被抛光到高闪度。
8.如权利要求1至7任一所述的图像转换系统，其特征在于，投影盘(14)的至少一个宽边表面(34’，34”)被粘合或粘结到一个邻近的棱镜面上。
9.如权利要求1至8任一所述的图像转换系统，其特征在于，记录透镜(10)和图像转换透镜(16)互相轴向平行。
10.如权利要求9所述的图像转换系统，其特征在于，记录透镜(10)和图像转换透镜(16)同轴定向。
11.如权利要求1至10任一所述的图像转换系统，其特征在于，投影盘(14)被配置成无光盘。
12.如权利要求1至10任一所述的图像转换系统，其特征在于，投影盘(14)被配置成光纤盘，其具有多个互相靠近排列的平行于光路的光导纤维(40)，其长度被切割成盘的厚度。
13.如权利要求12所述的图像转换系统，其特征在于，投影盘(14)的光导纤维(40)被屏蔽以防止侧面的散射光。
14.如权利要求12或13所述的图像转换系统，其特征在于，光导纤维(40)构成了投影盘(14)内的表面栅格。
15.如权利要求12至14任一所述的图像转换系统，其特征在于，投影盘(14)内的光导纤维(40)被配置成玻璃纤维，其具有可透光的玻璃芯(42)和折射率较小的薄壁包层玻璃(44)。
16.如权利要求15所述的图像转换系统，其特征在于，黑玻璃(45)被内嵌在玻璃纤维(42，44)之间。
17.如权利要求12至16任一所述的图像转换系统，其特征在于，光导纤维的直径小于0.01mm，最好小于0.006mm。
18.如权利要求1至17任一所述的图像转换系统，其特征在于，至少一个凸透镜(53，54，55，56)在光路内被设置在投影盘(14)之前和/或之后。
19.如权利要求18所述的图像转换系统，其特征在于，至少一个凸透镜(55，56)被直接设置在投影盘(14)之前和/或之后的自由空隙(24)内。
20.如权利要求18所述的图像转换系统，其特征在于，一个凸透镜(54)被设置在棱镜装置(20)内的两个互相面对且彼此平行的棱镜面之间的自由空隙内。
21.如权利要求18至20任一所述的图像转换系统，其特征在于，一个凸透镜(53)被设置在记录透镜(10)和棱镜装置(20)的输入窗(21)之间的自由空隙内。
22.如权利要求18至21任一所述的图像转换系统，其特征在于，在光路中设置在投影盘(14)前面的凸透镜(55)的聚焦宽度大约是记录透镜(10)和投影盘(14)之间直线视距的1/4。
23.如权利要求18至22任一所述的图像转换系统，其特征在于，在光路中设置在投影盘后面的凸透镜(56)的聚焦宽度大约是投影盘(14)和图像转换透镜(16)之间直线视距的1/4。
24.如权利要求1至23任一所述的图像转换系统，其特征在于，棱镜装置(20)和投影盘(14)被设置在一个适配器外壳内，该适配器外壳具有分别连接到记录透镜(10)和视频摄像机的机械连接器。
25.如权利要求24所述的图像转换系统，其特征在于，所述记录透镜(10)被配置成商业上可获得的电影摄像机或者照相机的可换透镜。
26.如权利要求24或25所述的图像转换系统，其特征在于，视频摄像机的透镜构成了图像转换透镜(16)，并且最好是被配置成CCD传感器区域的图像接收器(52)被设置在视频摄像机内的第二图像平面(18)上。
27.如权利要求1至26任一所述的图像转换系统，其特征在于，第二图像平面(18)内的实主像的大小和/或格式与第一图像平面(12)内的实中间图像不同。
28.如权利要求27所述的图像转换系统，其特征在于，用于失真格式改变的光学装置被设置在光路(13)内，并且提供了支持再现的图像处理软件，该软件具有用于补偿失真格式改变的程序。
29.如权利要求27或28所述的图像转换系统，其特征在于，用于失真格式改变的光学装置被设置在棱镜装置(20)内的光路(13)中。
30.如权利要求29所述的图像转换系统，其特征在于，用于失真格式改变的光学装置由棱镜装置内的交叉柱面透镜或圆柱形棱镜底面构成。
31.如权利要求27或28所述的图像转换系统，其特征在于，用于失真格式改变的光学装置被设置在一个图像转换透镜(16)内，所述图像转换透镜最好被配置成一个可换透镜。
32.如权利要求1至31任一所述的图像转换系统，其特征在于，旋转或移位装置啮合在投影盘(14)上，用于实现与光路交叉的旋转或移位运动。
33.如权利要求32所述的图像转换系统，其特征在于，旋转或移位装置被配置成与投影盘(14)机械耦合的振荡器。
34.如权利要求33所述的图像转换系统，其特征在于，振荡器的机械振动幅度大于投影盘内的光纤直径。
35.一种用于设置到视频摄像机前面的适配器，具有一个适配器外壳；具有位于适配器外壳内的棱镜装置(20)；具有位于棱镜装置的两个相互面对的棱镜面之间的空隙(24)内的投影盘(14)；具有用于连接到视频摄像机的透镜的连接开口；以及用于连接记录透镜(10)的连接开口。
36.如权利要求35所述的适配器，其特征在于，所述棱镜装置(20)构成了一个倒像单元。
37.如权利要求35或36所述的适配器，其特征在于，所述棱镜装置(20)的至少部分棱镜(22，26，32)被组合成一个棱镜体。
38.如权利要求37所述的适配器，其特征在于，所述棱镜体具有由两个棱镜面所限定的一个空隙，用于容纳投影盘(14)。
39.如权利要求38所述的适配器，其特征在于，投影盘(14)的至少一个宽边表面被粘合或粘结到相邻的棱镜面上。
40.如权利要求35至39任一所述的适配器，其特征在于，投影盘(14)被配置成无光盘。
41.如权利要求35至40任一所述的适配器，其特征在于，投影盘(14)被配置成光纤盘，其具有多个互相靠近排列的平行于光路(13)的光导纤维(40)，其长度被切割成盘的厚度。
42.如权利要求41所述的适配器，其特征在于，投影盘(14)的光导纤维(40)被屏蔽以防止侧面的散射光。
43.如权利要求41或42所述的适配器，其特征在于，光导纤维(40)构成投影盘(14)内的表面栅格。
44.如权利要求41至43任一所述的适配器，其特征在于，投影盘(14)内的光导纤维(40)由玻璃纤维构成，该玻璃纤维具有可透光的玻璃芯(42)和折射率较低的薄壁包层玻璃(44)。
45.如权利要求44所述的适配器，其特征在于，黑玻璃(45)被内嵌在投影盘(14)的玻璃纤维之间。
46.如权利要求42至45任一所述的适配器，其特征在于，光导纤维(40)的直径小于0.01mm，最好小于0.006mm。
47.如权利要求35至46任一所述的适配器，其特征在于，至少一个凸透镜(53，54，55，56)被设置在棱镜装置内的投影盘(14)之前和/或之后。
48.如权利要求47所述的适配器，其特征在于，至少一个凸透镜(55，56)被直接设置在投影盘(14)之前和/或之后的自由空隙(24)内。
49.如权利要求47或48所述的适配器，其特征在于，一个凸透镜(54)被设置在棱镜装置内的两个互相面对且平行的棱镜面之间的自由空隙内。
50.如权利要求47至49任一所述的适配器，其特征在于，至少一个凸透镜(53)被设置在棱镜装置(20)前面的适配器外壳内。
51.如权利要求1至34任一所述的光学图像转换系统与一个视频摄像机相连接的应用，其中视频摄像机的透镜构成了图像转换透镜(16)，并且视频摄像机的图像接收器(52)被设置在第二图像平面(18)内。
52.根据权利要求51的应用，其特征在于，记录透镜(10)被配置成商业上可获得的电影摄像机或照相机的可换透镜。
全文摘要
本发明涉及一种用在视频摄像机中的光学图像转换系统。所述图像转换系统包括一个面向物体的记录透镜(10)，用于在限定了第一图像平面(12)的第一个透射的投影盘(14)上产生具有确定的图像大小和景深的实中间图像。根据本发明的图像转换系统还包括一个位于光路(13)内的棱镜装置(20)，以及在光路(13)内位于记录透镜(10)后面的图像转换透镜(16)，其面向投影盘(14)的背面，用于在第二图像平面(18)上产生物体的实主像。为了以紧凑的形式设计所述图像转换系统，投影盘(14)被设置在棱镜装置(20)内的两个互相面对且平行的棱镜面之间的空隙(24)内。
文档编号G02B27/00GK1993980SQ200580026146
公开日2007年7月4日 申请日期2005年8月3日 优先权日2004年8月4日
发明者马克·迪埃姆 申请人:菲卡姆数字发展有限及两合公司