透镜结构.pdf

本发明提供了一种适于透过小孔进行观察的透镜结构，其中不需要常规上一体形成的物理透镜光圈。该透镜结构对其位置相对不敏感，这意味着可以退后到孔的后方来设置该透镜结构，从而减少该透镜结构被发现的风险并能够快速安装。

1、  一种适于透过针孔进行观察的透镜结构，该透镜结构包括无需常规物镜即可使用的会聚目镜型透镜装置，并且被设置为使得该透镜结构向超出该透镜结构的第一端的物体空间中的点投射“虚拟”孔径，所述第一端是该透镜结构的最靠近被观察对象的一端，从而该虚拟孔径限制了进入该透镜结构的光束，其中该透镜结构不包含一体形成的物理透镜光圈。

2、  根据权利要求1所述的透镜结构，其中所述目镜型透镜装置包括后面跟着负型透镜组件的正型透镜组件。

3、  根据权利要求1所述的透镜结构，其中所述目镜型透镜装置包括后面跟着弯月型透镜组件的正型透镜组件。

4、  根据权利要求1所述的透镜结构，其中所述目镜型透镜装置包括两个正型透镜组件，以及位于它们之间的负型透镜组件。

5、  根据权利要求1所述的透镜结构，其中所述目镜型透镜装置包括：位于所述透镜结构的第一端处的负弯月型透镜，后面跟着双合透镜组件，所述第一端是所述透镜结构的最靠近被观察物体的一端；以及位于所述透镜结构的第二端处的正弯月型透镜组件，所述第二端是所述透镜结构的最靠近图像捕获单元的一端。

6、  根据权利要求1所述的透镜结构，其中所述目镜型透镜装置包括：位于所述透镜结构的第一端处的双合透镜组件，后面跟着正型透镜，所述第一端是所述透镜结构的最靠近被观察物体的一端；以及位于所述透镜结构的第二端处的三合透镜，所述第二端是所述透镜结构的最靠近图像捕获单元的一端。

7、  根据前述权利要求中任意一项所述的透镜结构，其中相对于所述透镜结构希望透过其进行观察的针孔对所述透镜结构进行了超裕度设计，使得由所述透镜结构产生的像质对所述针孔的尺寸、形状和质量相对不敏感。

8、  根据权利要求7所述的透镜结构，其中所述虚拟孔径的直径在透过其进行观察的所述针孔的直径尺寸的1到5倍的范围内。

9、  根据权利要求7所述的透镜结构，其中所述虚拟孔径的直径是透过其进行观察的针孔直径的约1.5倍。

10、  根据前述权利要求中任意一项所述的透镜结构，其中所述透镜结构的最佳隙距被设计为尽可能地大，以使得由于所述透镜结构的不准确放置而产生的百分数误差能够相对较小。

11、  根据前述权利要求中任意一项所述的透镜结构，其中所述透镜结构并入有物理快门以在不使用所述透镜结构时阻止其被看到。

12、  根据前述权利要求中任意一项所述的透镜结构，其中所述透镜结构被优化为提供1到90度范围内的特定视场。

13、  一种隐秘地获得图像的方法，该方法包括以下步骤：在将前述权利要求中任意一项所述的透镜结构置于遮挡物内的孔的后面时，按照使该遮挡物充当物理透镜光圈的方式来使用所述透镜结构。

14、  根据权利要求13所述的方法，其中所述透镜结构与所述针孔之间的距离在0.5mm到10mm的范围内。

15、  一种监视用针孔摄像机，该摄像机并入有权利要求1到12中任意一项所述的透镜结构。

16、  一种大体上如这里参照附图所述的透镜结构。

17、  一种大体如这里所述的隐秘地获取图像的方法。

透镜结构
技术领域
本发明涉及光学透镜，更具体地涉及摄像机系统的透镜。本发明尤其适于用在使用了非常小的“针孔”摄像机透镜的隐蔽监视摄像机领域。
背景技术
针孔透镜因其尺寸小而非常实用，典型透镜的直径仅为几毫米，使得这种透镜能够免于被发现。通常将针孔摄像机隐藏在墙壁或其他遮挡物后面，在该遮挡物中钻出小孔(称为针孔)以使得能够秘密地观察和监视场景。在本说明书中，针孔被限定为直径2毫米或更小的孔。这些已知透镜的缺点在于需要物理光圈(physical stop)来限制能够经过它而照射到图像捕获单元(例如，胶片或传感器或人眼)上的光束。对于上述针孔透镜而言，物理光圈通常必须要凸出到墙壁内的孔中以提供可接受的图像质量并减少渐晕，这明显增加了监测的风险(见图1)。为了获得有用的图像，还必须精确地控制透镜与物理光圈之间的距离。
发明内容
本发明通过提供一种不需要常规物理光圈来限制穿过透镜的光束的透镜结构来克服现有技术中的这些难题。这一点是通过制造这样一种透镜结构来实现的，该透镜结构特别适于透过针孔来观察从而针孔本身用来限制可能进入透镜的光束，从而不再需要常规物理光圈。这样，本发明就克服了本领域中规定的为了获得满意的结果必须使用常规物理光圈的强烈的技术偏见。
此外，在已知的透镜结构中，物理光圈的位置对所实现的图像质量至关重要。物理光圈的任何移位都会导致严重的光学像差和图像劣化。为此，已知系统使用了与透镜结构一体化的物理光圈，使得其光学位置保持固定。本发明提供了一种相对来说对物理光圈的位置不敏感的透镜结构，使得能够由针孔本身来实现物理光圈的功能，而不会出现可识别的图像质量损失。因此，本发明表现出与公知技术手段显著的区别，并降低了与透镜系统相关的复杂度和成本。
不设置常规物理光圈意味着能够有效地隐藏摄像机和透镜结构，而无需凸出到遮挡物内的孔中。实际上可以相对于遮挡物内的孔退后设置整个摄像机组件，这显著降低了该装置通过常规手段(例如，利用手电筒来搜索该透镜的反射)而被发现的风险。
因此，本发明提供了一种适于透过针孔来观察的透镜结构，该透镜结构包括无需常规物镜即可使用的会聚目镜型透镜装置，并且被设置为使得该透镜结构向超出该透镜结构的第一端的物体空间中的点投射“虚拟”孔径，所述第一端是该透镜结构的最靠近被观察对象的一端，从而虚拟孔径限制了进入该透镜结构的光束，其中该透镜结构不包含一体形成的物理光圈。
在常规目镜中，出射光瞳位于目镜透镜的后面从而限定可以从系统中出射的光量。然而，在本发明中，将出射光瞳颠倒位置(reverse)以使得原出射光瞳位于透镜的前面，充当入射光瞳并限制可以进入该系统的光量。
因此有利的是，本发明提供的这种透镜结构可以用在监视摄像机中。
当利用常规透镜透过孔来观察物体时，主要的问题在于：如果孔远小于透镜，则透镜生成的像存在严重的渐晕现象。此外，如果为了实现隐蔽监视需要将透镜结构相对于孔后退设置或因为无法将透镜顶得靠近该孔，或者如果孔本身相对较深，则渐晕现象会显著增强。在本说明书中，将透镜结构相对于墙壁后退设置的距离称为“隙距(stand-offdistance)”，并且被定义为透镜结构与孔的最靠近被观察对象的一端的距离。
本发明利用新颖的透镜结构解决了现有技术中的那些问题，该透镜结构与会聚望远镜目镜类似，不同之处是目镜结构被颠倒位置，从而观察物体所通过的孔被设置在眼镜通常所处的位置。
公知的是，望远镜可以在“物空间”中聚焦位于望远镜透镜结构前方的物体，从而生成要在该透镜结构后方的“像空间”中看到的像。由于这种望远镜中使用的目镜透镜装置总是与物镜一起使用来尽可能多地捕捉光，因此该目镜透镜装置不需要物理光圈。该物镜包括用于限制可能进入望远镜中的光束的物理光圈并因此调节进入目镜中的光。目镜是一种固定焦距透镜，它在物理光圈设定的边界内投射物体的实像以在望远镜后面的特定距离处的像空间内形成出射光瞳。该距离被称为良视距(eye relief)。然后使眼睛位于该出射光瞳处来观察物体。只有经过该出射光瞳的光线才能够从系统中出射。
通过使该目镜透镜装置颠倒位置，出射光瞳变为一种朝向目镜透镜装置前方被投射到物空间内达“良视距”距离的“虚拟”孔径。因此，该虚拟孔径限定了可以进入目镜透镜装置的光量。本发明通过确保“良视距”距离大致等于该透镜结构与针孔的最靠近观察对象的一端之间的距离(隙距)来利用这种透过遮挡物中的针孔进行观察的透镜结构。这样，由向前投射到物空间内的虚拟孔径而非针孔本身来限制进入系统的光束，因此克服了通常在使用透镜透过针孔进行观察时体验到的渐晕现象。
可用来提供本发明所需的虚拟孔径的目镜透镜装置有四种基本类型。它们为：拉姆斯登(Ramsden)目镜，其包括两个正单透镜组件；克耳纳(Kellner)目镜，其包括一个双胶透镜和一个单透镜，且该双胶透镜的凸部(crown)面对该单透镜；Delabourne目镜，它是一种包括凸部组件彼此相对的两个双胶透镜的对称透镜；以及艾尔弗(Erfle)目镜，其包括被两个具有面对的凸部组件的两个双胶透镜夹在中间的强双凸单透镜。然而，应该认识到，可以使用能够得到上述虚拟孔径的任意透镜装置来构造根据本发明的透镜结构。
事实上，所选的实际光学组件取决于所要求的视场。例如，对于窄视场而言，有利的是，可以使用拉姆斯登目镜的变形来最小化透镜结构的尺寸，然而，在要求较宽视场时，克耳纳目镜和艾尔弗目镜应该更为合适。
还应该认识到，现有技术中使用的目镜透镜装置尚未被设计为独立型装置，因此是利用像差设计的以补偿望远镜的物镜所引入的像差。由于本发明没有使用传统的物镜，因此没必要进行这种补偿，所以在本发明中使用目镜透镜装置之前需要对其进行改动。
作为示例而非对于本发明的一般性的限制，现在来描述制造根据本发明的透镜结构的多个可能方法。在以下的说明书中，透镜结构的“第一端”被定义为最靠近被观察物体的一端，而该透镜结构的“第二端”是相对端，即最靠近图像捕获单元的一端。
如前所述，对于根据本发明的透镜结构的光学组件的选择取决于所期望的视场。
可以通过在可能被描述为颠倒摄远目镜的构造中仅利用两个光学组件(一个位于透镜结构的第一端处的正透镜和一个位于第二端处的负透镜)来形成约12度的视场。在本实施方式的优选构造中，第一正透镜为双凸透镜，第二负透镜为双凹透镜。
这种透镜结构可以有益地被设计为以2.5mm的最佳隙距、位于针孔后约1mm直径处工作；并且在优选实施方式中，该透镜结构的长度小于5mm，有效焦距约为30mm，因此将工作在F/30附近。
图2中示出了根据本发明的该实施方式的透镜结构。
还可以通过使用仅包括两个光学组件的透镜结构来实现高达约25度的更宽视场。在该实施方式中，透镜结构可以有利地包括位于该透镜结构的第一端处的一个正透镜(例如，双凸透镜)，其后跟着一个位于第二端处的弯月型厚透镜。该弯月型透镜充当视场致平器，用于在图像捕获单元处提供平整的像平面并因此改善像质。该弯月型透镜还有助于校正任何像散。
这种透镜结构可以有益地被设计为以约4mm的最佳隙距、位于针孔后约1mm直径处工作；并且在该透镜结构的优选实施方式中，透镜结构长度小于4mm，有效焦距约为14mm，因此将工作在F/14附近。
图3中示出了根据本发明的该实施方式的透镜结构。
上述两个透镜结构可以被认为是从反向拉姆斯登目镜演进来的；然而，应该清楚的是，由于拉姆斯登目镜仅包括两个正透镜，因此有必要进行一些改动来实现期望的性能。
可以通过使用略为复杂一些的透镜结构(包括三个光学组件，两个正单透镜组件和位于它们之间的一个负单透镜)来实现高达约40度的更宽视场。该构造的优选实施方式包括位于该透镜结构的第一端处的单双凸透镜，其后跟着单双凹透镜，接着是位于该透镜结构的第二端处的单正弯月型透镜。可以将该构造视为反向克耳纳目镜的演进，但是由于通常的双透镜(doublet)被分割成了两个单透镜(singlet)，因此其偏离了克耳纳目镜的经典形状。这使得能够利用中心负透镜的陡峭凹面来校正场曲问题从而使场平衡，并且该组件与最后的正透镜的组合还用来校正像散。
这种透镜结构可以有益地被设计为以约2.5mm的最佳隙距、位于针孔后约1mm直径处工作；并且在优选实施方式中，该透镜结构的长度小于约5mm，有效焦距约为8.5mm，因此将工作在F/8.5附近。
图4中示出了根据本发明的该实施方式的透镜结构。
为了实现高达约50度的视场，可以使用包括被两个单透镜夹在中间的双合透镜的透镜结构。该透镜结构可以被视为反向克耳纳目镜的演进，但是在这种情况下，偏离了反向克耳纳目镜的经典形状，其后方添加了形式为单个弯月型透镜组件的视场致平器。这是有利的，因为视场致平器可用于校正场曲并平衡像散。这种类型的透镜结构的优选实施方式包括：位于该透镜结构的第一端处的相对较厚的负弯月型透镜，该透镜用于更大程度上控制隙距；其后是凸部组件面向该透镜结构的第一端的消色差双透镜，用以校正残余横向色差；以及位于该透镜结构的第二端处的正单弯月型透镜，用作视场致平器，在像平面处提供更平整的像。
这种透镜结构可以有益地被设计为以约3mm的最佳隙距、位于针孔后约1mm直径处工作；并且在优选实施方式中，该透镜结构的长度约为9.5mm，有效焦距约为6.5mm，因此将工作在F/6.5附近。
图5中示出了根据本发明的该实施方式的透镜结构。
还可以通过利用这样的透镜结构来实现高达约60度的视场，该透镜结构包括位于该透镜结构的第一端处的双合透镜，其后跟着正单透镜组件(例如，强双凸透镜)，以及位于该透镜结构的第二端处的三合透镜。该结构可以被称为是反向艾尔弗型目镜的演进，但是偏离了经典形状，向最后的双合透镜添加了另一组件从而形成三合透镜。这使得能够校正横向色差问题和像散随波长的变化。在这种构造的优选实施方式中，有利的是，位于该透镜结构的第一端处的双合透镜形成为厚的、负弯月型透镜，这有助于保持该透镜结构对隙距的改变的耐受性。
这种透镜结构可以有益地被设计为以约2mm的隙距、位于针孔后约1mm直径处工作；并且在优选实施方式中，透镜结构的长度约为10mm，有效焦距约为5mm，因此将工作在F/5附近。
图6中示出了根据本发明的该实施方式的透镜结构。
应该理解的是，还可能存在根据本发明的透镜结构的许多其他构造并且可以实现许多不同的视场。已知目镜的为了实现本发明而必须保留的唯一要素是在该透镜结构的前方形成虚拟孔径。
实际上，由于在该透镜结构的前方形成了虚拟孔径，本发明甚至能够在不需要利用针孔作为物理光圈的情况下生成有用的像。这意味着可以在无需物理光圈的情况下获得像。
如果从常规透镜结构中去除物理光圈，光就会从各个方向进入透镜，从而导致太多的光被发射到图像捕获单元(例如，传感器或胶片)。于是，图像捕获单元将无法应对动态范围的光，从而导致很差的图像分辨率。然而，由于本发明通过穿过虚拟孔径来限制光束而克服了该问题，使得能够形成满意的图像。
在未透过孔进行观察时，根据本发明的透镜结构所产生的像质对于多种用途(例如，安全摄像头)是可以接受的，并且尽管不设置物理光圈的确会由于容许亮度级增加而产生一些像质损失，但是应该清楚的是，技术(尤其是数字传感器领域的技术)的进步会不断降低该问题的严重性。
由于这种新颖的透镜结构能够摒除常规上一体形成的物理光圈，所以本发明提供了非常紧凑、高质量的成像透镜，该成像透镜可以理想地用于透过小孔进行观察。此外，不设置物理光圈降低了透镜结构的复杂度以及需要的组件数量，从而降低了与系统相关的成本。
然而，即使使用虚拟孔径来应对上述的渐晕现象，常规的透镜结构也只有当针孔本身为边缘平滑的正圆并且只有当被形成有该孔的遮挡物很薄的情况下才能在通过针孔观察时获得质量较好的图像。如果未对这些属性进行充分控制，则所得图像将会严重劣化。
此外，尽管在实体遮挡物中使用针孔为物理光圈提供了改善像质的潜力，但是由于遮挡物没有以任何方式连接到透镜上，因此其结合常规透镜结构的使用将很大程度上取决于透镜的准确定位。因此在公知系统中，必须仔细地控制透镜结构的隙距以最小化由于一个或多个透镜引起的光学像差。在这些系统中，即使隙距发生相对较小的变化像质也会急剧下降，因此，如果错误地安装透镜，就会产生很大程度的像差，从而使得所得到的图像不可用。
这在通常需要在可能具有很差边缘质量的简单钻孔后面快速安装光学设备的监视应用中显然是一个主要缺点。
本发明通过以下手段来克服现有技术中的这些问题：使用虚拟孔径并通过对透镜进行超裕度设计(overdesign)以减少光学像差，从而增加透镜系统对隙距变化和针孔不完美的耐受性。该超裕度设计包括使用具有较大直径的透镜使得透镜结构投射大于遮挡物中的孔径的虚拟孔径。
增加透镜直径的作用是使得光束经过透镜的相对更靠近光轴的环形区，这减小了光束所经过的透镜的曲率，从而减少了所产生的光学像差的数量和大小。本发明用于减少所有像差，但是在减少球差和彗差方面尤其有效。超裕度设计给透镜带来了较大的工作区域，这意味着透镜可以远离针孔的方向向后移动，而不会导致所产生的像差的明显增加。这降低了相机系统对不当安装或透镜相对于针孔移动的敏感度，从而增大了获得可用图像的机会。这是因为增加透镜直径使得透镜结构的最佳隙距增大，从而减少了由设备的特定安装误差所导致的百分数误差。
当透镜处于离针孔最近的位置时，没有用到透镜所增加的面积并且对所获得的像没有影响。然而，曲率的减小的确导致了入射光的折射程度降低，因此可能需要一系列的透镜组合来实现期望的焦距。另选的是，可以使用折射率较高的材料。
透镜的超裕度设计的特征还在于得到了这样的透镜结构，即，由该透镜结构投射的虚拟孔径大于该透镜结构透过其进行观察的针孔的尺寸。这意味着即使透镜结构的安装误差导致针孔比预期尺寸要大或者如果透镜结构没有位于理想的隙距处，该透镜仍能够捕获所有经过针孔的光。
通过利用根据本发明的透镜的超裕度设计，可以在0.5mm和10mm之间的隙距范围内容易地获得有用图像。对于隙距变化的耐受量随着虚拟孔径的尺寸增加而增加，并且该尺寸仅受到空间局限性和成本的限制。
有利的是，虚拟孔径的直径可以被超裕度设计为针孔直径的1到5倍的范围内。在优选实施方式中，虚拟孔径的直径至少应是透镜结构希望透过其进行观察的孔直径的1.5倍。
因此本发明提供了一种可以在很大范围的遮挡物厚度上有效工作并且可以容易地成比例增大或减小以适应不同的针孔直径的透镜结构。优选的是，针孔的直径应小于2mm，但是本发明可以应用于更大的孔。使用本发明的该实施方式的例子是秘密设置在墙壁内的针孔后面的监视摄像机。
现在将参照附图对本发明的具体实施方式进行说明，其中透镜结构使用在置于遮挡物内的针孔后面的针孔摄像机中。
附图说明
图1示出了以物理光圈(4)凸入到针孔中的方式隐藏在遮挡物(3)内的针孔(2)后面的公知监视摄像机(1)。
图2示出了根据本发明的最优化为12度视场并位于遮挡物内的针孔后的透镜结构的一个实施方式。
图3示出了根据本发明的最优化为25度视场并位于遮挡物内的针孔后的透镜结构的一个实施方式。
图4示出了根据本发明的最优化为40度视场并位于遮挡物内的针孔后的透镜结构的一个实施方式。
图5示出了根据本发明的最优化为50度视场并位于遮挡物内的针孔后的透镜结构的一个实施方式。
图6示出了根据本发明的最优化为65度视场并位于遮挡物内的针孔后的透镜结构的一个实施方式。
具体实施方式
应该理解的是，以下内容只是本发明的具体实施方式的例子，而绝不应视为对本发明的范围的限制。
参照图5，根据本发明的透镜结构(1)被设置在墙壁(3)中钻出的直径约为1mm的针孔(2)后的隙距处，使得能够捕获目标对象(4)的像。所示的入射光(5)经过透镜结构(1)并聚焦在光学传感器(6)上。透镜结构(1)被最优化为向物空间内与隙距(S)相等的距离处投射虚拟孔径，从而限制进入该设备的光束并减少由针孔(2)导致的渐晕现象。
本发明的该实施方式的透镜结构与针孔(2)之间的额定隙距(S)约为3mm，该系统的总长度(或“行程(throw)”)约为16.5mm。然而，实际上隙距(S)可以为2mm和6mm之间的任意距离，而不会出现任何明显的像质损失。这是因为透镜的超裕度设计，该超裕度设计使得由透镜结构(1)投射的虚拟孔径约为透镜在额定隙距(即，3mm)处所需尺寸的1.5倍。
该实施方式中的透镜结构(1)被最优化为提供50度的视场，并且包括被两个单透镜组件(8和9)夹在中间的双合透镜组件(7)；最靠近要观察物体的单透镜(8)包括负弯月型透镜，而最靠近图像捕获单元的单透镜(9)包括正弯月型透镜。双合透镜(7)的凸部组件面向第一弯月型透镜(8)。透镜结构(1)的焦距为6.5mm，因此当透镜结构(1)位于1mm的针孔的后面时，该透镜结构具有F/6.5的光速(optical speed)。如果未使用针孔(2)或墙壁(3)，则由于反向目镜型透镜构造产生的虚拟孔径所导致的光束限制，透镜结构自然工作在F/5-F/8之间。
试验表明，根据本发明的该实施方式的设备具有仅10％的图像失真并且在80c/mm下给出约0.61MTF的分辨率。
在透镜的焦平面处设置有光学传感器(6)(这里为1/3英寸CCD)以使得能够记录静态或运动图像。这些图像可本地记录或以公知的方式发送给例如位于停在受监视的建筑物外面的车辆中的远程接收站。
为了进一步降低监视摄像机被发现的可能性，该透镜结构还可以包括物理快门(physical shutter)，该物理快门可以在摄像机未被使用时被采用以阻止该装置被看到。该快门系统可以被部署在光学传感器(6)的前面以消除向后反射或可以安装在透镜组件的前面作为一个整体以完全消除该装置的光学特征(即，阻挡从该装置发出的所有杂散光)。
有利的是，前述类型的透镜可以被优化为提供特定的视场。1度到90度之间的视场为实用的视场，并且可以针对不同的环境和要求而有效地为摄像机系统提供透镜范围。
对于针孔监视摄像机而言，人们已发现产生12度到65度视场的透镜范围是非常适当的。