CN115877579A - 一种变焦补光***及摄像机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种变焦补光***及摄像机，包括：光源、整形透镜、同步多表面光学SMS透镜、变焦透镜和变焦驱动电机；光源发射的光线进入整形透镜，整形透镜包括矩形出光面，整形透镜将光源发射的光线进行整形后，通过矩形出光面发射至SMS透镜；SMS透镜调整出射波前形状并匀化出光，得到对应的出射矩形光斑发射至变焦透镜。本申请通过在整形透镜后设置SMS透镜，SMS透镜调整出射波前形状改变内部照度分布，从而实现在变焦过程中光斑照度可以保持基本均匀。前段整形透镜出光面为矩形，SMS透镜设计时将其作为新的发光面，且SMS透镜设计光斑基本不变，可以保持矩形光斑。光斑形状为矩形，贴合视场角，光效高眩光少。

Description

一种变焦补光***及摄像机

技术领域

本申请涉及光学设计技术领域，尤其涉及一种变焦补光***及摄像机。

背景技术

安防监控领域多用LED与二次透镜的组合为摄像机补光，这种补光方式可以很好的解决夜间场景照度不足导致的图像偏暗发蒙不通透的问题，适用于各种场景。但是对于变焦镜头，通常需要搭配近光和远光，甚至中光等多种角度的补光透镜来满足全焦段的视场角和距离需求，这种方式需要使用多光源与多透镜的组合，一方面器件成本增加，能量浪费；另一方面补光***所占空间较大，使摄像机整体结构比较臃肿。再者对于常规LED大角度光源光效较低，光斑形状为圆形，且光斑内部的照度分布随光源确定无法调节，一般均匀度较差，使得补光效果较差。

发明内容

本申请实施例提供了一种变焦补光***及摄像机，用以解决现有技术的变焦补光***成本较高、结构臃肿、补光效果较差的问题。

本申请提供了一种变焦补光***，包括：光源、整形透镜、同步多表面光学SMS透镜、变焦透镜和变焦驱动电机；所述变焦驱动电机驱动所述变焦透镜移动变焦；

所述光源发射的光线进入所述整形透镜；

所述整形透镜包括矩形出光面，所述整形透镜将所述光源发射的光线进行整形后，通过矩形出光面发射至所述SMS透镜；所述SMS透镜调整出射波前形状并匀化出光，得到对应的出射矩形光斑发射至所述变焦透镜。

进一步地，所述整形透镜包括矩形出光面全内反射TIR构型透镜；所述TIR构型透镜用于将所述光源发射的光线进行收束及匀化出光。

进一步地，所述TIR构型透镜还包括进光口和反射面，所述反射面为矩形边界的倒碗口斜面。

进一步地，所述进光口包括顶部进光面和侧壁进光面，所述顶部进光面为矩形边界光滑自由曲面，所述侧壁进光面为矩形口放样的斜面；所述矩形出光面为复眼阵列面。

进一步地，所述SMS透镜包括双凸构型透镜。

进一步地，所述SMS透镜在平面维度上，以所述整形透镜出光面边界点为扩展光源边界，以边界点出射光线作为边缘光线，并利用折反射定律并调整出射波前曲率交替构建同步进光面和同步出光面的脊点链。

进一步地，所述SMS透镜在三维上，以所述脊点链上的点为起始点构建肋点链，并通过点云插值得到所述同步进光面和同步出光面。

进一步地，所述变焦透镜包括正焦距透镜。

进一步地，所述正焦距透镜包括第一光学面和第二光学面，其中，至少有一个光学面的形状为凸面。

另一方面，本申请提供了一种摄像机，包括：变焦镜头、控制板和以上任一项所述的变焦补光***；

所述控制板，用于控制所述变焦镜头变倍，并同步控制所述变焦驱动电机移动所述变焦透镜以使所述变焦补光***的发光角度与所述变焦镜头的视场角匹配。

本申请提供了一种变焦补光***，包括：光源、整形透镜、同步多表面光学SMS透镜、变焦透镜和变焦驱动电机；所述变焦驱动电机驱动所述变焦透镜移动变焦；

所述光源发射的光线进入所述整形透镜；

所述整形透镜包括矩形出光面，所述整形透镜将所述光源发射的光线进行整形后，通过矩形出光面发射至所述SMS透镜；所述SMS透镜调整出射波前形状并匀化出光，得到对应的出射矩形光斑发射至所述变焦透镜。

上述的技术方案具有如下优点或有益效果：

本申请中，变焦补光***包括光源、整形透镜、同步多表面光学SMS透镜、变焦透镜和变焦驱动电机；变焦驱动电机驱动变焦透镜移动变焦。并且光源发射的光线进入整形透镜，整形透镜包括矩形出光面，整形透镜将光源发射的光线进行整形后，通过矩形出光面发射至SMS透镜；SMS透镜调整出射波前形状并匀化出光，得到对应的出射矩形光斑发射至变焦透镜。本申请通过在整形透镜后设置SMS透镜，SMS透镜调整出射波前形状改变内部照度分布，从而实现在变焦过程中光斑照度可以保持基本均匀。前段整形透镜出光面为矩形，SMS透镜设计时将其作为新的发光面，且SMS透镜设计光斑基本不变，可以保持矩形光斑。光斑形状为矩形，贴合视场角，光效高眩光少。本申请提供的变焦补光成像***成本较低、并且补光效果较好。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的变焦补光成像***结构示意图；

图2为本申请提供的整形透镜结构示意图；

图3为本申请提供的SMS透镜结构示意图；

图4为本申请提供的变焦透镜示意图；

图5为本申请提供的另一变焦补光成像***结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的和实施方式更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，本申请中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本申请的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。

本申请中说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似或同类的对象或实体，而不必然意味着限定特定的顺序或先后次序，除非另外注明。应该理解这样使用的用语在适当情况下可以互换。

术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的所有组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。

术语“模块”是指任何已知或后来开发的硬件、软件、固件、人工智能、模糊逻辑或硬件或/和软件代码的组合，能够执行与该元件相关的功能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

为了方便解释，已经结合具体的实施方式进行了上述说明。但是，上述示例性的讨论不是意图穷尽或者将实施方式限定到上述公开的具体形式。根据上述的教导，可以得到多种修改和变形。上述实施方式的选择和描述是为了更好的解释原理以及实际的应用，从而使得本领域技术人员更好的使用所述实施方式以及适于具体使用考虑的各种不同的变形的实施方式。

图1为本申请提供的变焦补光***结构示意图，包括：光源11、整形透镜12、同步多表面光学SMS透镜13、变焦透镜14和变焦驱动电机15；所述变焦驱动电机15驱动所述变焦透镜14移动变焦；还包括透镜支架16；变焦透镜14通过透镜支架16进行固定；

所述光源11发射的光线进入所述整形透镜12；

所述整形透镜12包括矩形出光面，所述整形透镜将所述光源发射的光线进行整形后，通过矩形出光面发射至所述SMS透镜13；所述SMS透镜13调整出射波前形状并匀化出光，得到对应的出射矩形光斑发射至所述变焦透镜14。

如图1所示，变焦补光成像***主要由光源、整形透镜、SMS透镜、变焦透镜等四部分组成的光学***和透镜支架、变焦驱动电机组成的驱动***。

所述光源包括发光二极管LED光源或高功率集成面COB光源。所述光源为常规LED光源，一般发光角度50％光强全角120°或者90°等，封装形式包括SMD、CSP、COB等，需要说明的是，COB封装形式的光源由于较大的发光面，常规补光方案中小角度配光难以实现，本申请中可以使用COB光源。与目前常规的圆形变焦补光***相比，可以使用COB集成光源，功耗高，一套就可以满足长焦高照度需求。

图2为本申请提供的整形透镜结构示意图，所述整形透镜包括矩形出光面全内反射TIR构型透镜；所述TIR构型透镜用于将所述光源发射的光线进行收束及匀化出光。

所述TIR构型透镜还包括进光口21和反射面22，所述反射面为矩形边界的倒碗口斜面。TIR构型透镜还包括矩形出光面23。

所述进光口包括顶部进光面24和侧壁进光面25，所述顶部进光面为矩形边界光滑自由曲面，所述侧壁进光面为矩形口放样的斜面；所述矩形出光面为复眼阵列面26。

所述整形透镜为一矩形出光面TIR构型透镜，主要包括进光口，反射面和出光面三个部分，所述反射面为矩形边界的倒碗口斜面。如图2所示。进光口包括顶部进光面和侧壁进光面。其中顶部进光面为一矩形边界光滑自由曲面，用于将入射到顶部进光面的光线汇聚并到达出光面。其中侧壁进光面为一矩形口放样的斜面，与反射面共同作用，用于将入射到侧壁进光面的光线折射+反射后到达出光面。到达出光面的光线呈发散形态，照度分布受透镜结构影响不太均匀。出光面设置为一复眼阵列面，通过复眼微结构的作用将达到出光面的光线进一步匀化出光。总结，整形透镜的具体作用为：1.收束，光源大角度发光经透镜后发散角减小；2.整形，经透镜后的光束可视为以矩形出光面为光源的光束；3.匀光，透镜出光面复眼结构优化出光面照度分布和出射光束均匀度。

图3为本申请提供的SMS透镜结构示意图，所述SMS透镜包括双凸构型透镜。所述SMS透镜在平面维度上，以所述整形透镜出光面边界点为扩展光源边界，以边界点出射光线作为边缘光线，并利用折反射定律交替构建同步进光面31和同步出光面32的脊点链。所述SMS透镜在三维上，以所述脊点链上的点为起始点构建肋点链，并通过点云插值得到所述同步进光面31和同步出光面32。

所述SMS透镜为一双凸构型透镜，主要由同步进光面和同步出光面组成，如图3所示。SMS透镜引用并调整了三维同步多表面设计方法。在平面维度上，以整形透镜出光面边界点为扩展光源边界，以边界点出射光线作为边缘光线，使所有光线在入射波前到出射波前对应区间内的光程保持恒定，并利用折反射定并调整出射波前曲率律交替构建同步进光面和同步出光面的脊点链。在扩展到三维，在另一方向，以脊点链上的点为起始点构建多条肋点链，并最终通过点云插值得到同步进光面和同步出光面。改进点在于，设计中逐步调整出射波前形状，仿真得到对应的出射光斑和配光曲线，逐步优化照度分布提升均匀度，出射光斑为均匀矩形光斑。改进过程主要是一个循环：以起始的出射波前形状代入获取SMS透镜并仿真得到对应光斑形状和照度分布，若结果不满足预期，则增大或者减小出射波前的曲率进一步代入获取新的SMS透镜，再次仿真对比。总结，SMS透镜的具体作用为：1.保持光斑矩形形状，扩展到三维时使边缘光线落点为矩形，根据边光原理，最终光斑在该矩形内。2.调整光斑均匀度，通过改变波前形状来调整；3.调整出射光线发散角；

所述变焦透镜包括正焦距透镜。所述正焦距透镜包括第一光学面和第二光学面，其中，至少有一个光学面的形状为凸面。

图4为本申请提供的变焦透镜示意图，所述变焦透镜为一具有正焦距的透镜，主要由第一光学面41和第二光学面42组成。第一光学面和第二光学面类型包括球面、非球面和自由曲面，第一光学面和第二光学面形状类型包括：凸面、平面、凹面，其中至少有一个面为凸面且使得透镜实际焦距为正焦距。变焦透镜由透镜支架支撑，且透镜支架与驱动电机连接通过电机驱动支架带动透镜移动。如图4所示，光束经SMS透镜出射后，其发光形式可视为以SMS透镜的同步出光面为发光面的具有一定发散角的均匀扩展光源。此光源处于变焦透镜的物方位置，变焦透镜的移动范围由第一位置43和第二位置44区间限定，如图4所示。当变焦透镜处于第一位置时，变焦透镜与SMS透镜距离小于透镜焦距，按照几何光学原理，光束经变焦透镜后扩散角进一步增大，大角度光束可以适配镜头小倍大视场角。当变焦透镜处于第二位置时，变焦透镜与SMS透镜的距离等于或略大于透镜焦距，实际距离由设计让光束角最小的情况来确定，按照几何光学原理，光束经变焦透镜后被汇聚成小角度出射，小角度光束可以适配镜头大倍小视场角。由于光束经SMS透镜后矩形均匀分布，则在变焦过程中其光斑形态不会改变，其照度分布可以基本保持均匀。

图5为本申请提供的摄像机结构示意图，包括：变焦镜头51、控制板52和变焦补光***53；

所述控制板52，用于控制所述变焦镜头51变倍，并同步控制所述变焦补光***中的变焦驱动电机移动所述变焦透镜以使所述变焦补光***的发光角度与所述变焦镜头的视场角匹配。

所述变焦补光***应用于摄像机。变焦镜头的zoom电机与控制板通过连接线连接，变焦补光***中的变焦驱动电机与控制板通过连接线连接。使用前，先按照变焦镜头各倍率视场角，确定变焦补光***发光角度略大于视场角时的变焦透镜位置，并将此作为控制程序写入控制板。使用中，控制板控制变焦镜头变倍时，同步按照控制程序控制变焦驱动电机以使变焦补光***的发光角度与所述变焦镜头的视场角匹配。

本申请提供的变焦补光***变焦过程中照度可控，由于TIR透镜发光面后设置了使用SMS方法设计的透镜，可以调整波前形状改变内部照度分布。这样，在变焦过程中光斑照度可以保持基本均匀。变焦范围较大，由于采用了较大口径长焦透镜，通过驱动装置移动来改变发光角度，整体发光角度变化范围较大。光斑形状为矩形，贴合视场角，光效高眩光少，由于前段TIR透镜出光面为矩形，SMS透镜设计时将其作为新的发光面，且SMS透镜设计方法光斑基本不变，可以保持矩形光斑。***功率高，采用了大面积的COB光源，单颗光源功耗高，可以满足***长焦高照度需求。***光效高，前端采用了TIR透镜进行聚光，保证在COB大面积光源下也可以有较高的光效，实现扩展光源的高光效设计。

本申请通过整形透镜、SMS透镜和变焦透镜的光学***，达成矩形变焦、高光效、照度可调等效果。其光源为LED光源，尤其可以使用大面积的COB光源，光源功耗高，让变焦补光装置仅使用1颗光源即可实现远距离补光所需的高强度。整形透镜，采用矩形TIR结构，通过折射+反射的形式，使光源角度收束，充分利用光源光效，同时出光面矩形确定了光斑形状，出光面复眼优化了内部照度分布；SMS透镜，采用了三维同步多表面设计方法，以整形透镜出光面为扩展光源，进一步优化光斑的矩形边界、内部照度分布，并调整出射光束发散角；变焦透镜，采用正焦距设计，通过移动变焦透镜改变与SMS透镜之间的距离，从而改变出射光束角度；一种摄像机，通过控制板同步控制变焦镜头zoom电机和变焦补光***的变焦驱动电机，使变焦镜头视场角和变焦补光***发光角适配。

本申请提供了一种变焦补光***，包括：光源、整形透镜、同步多表面光学SMS透镜、变焦透镜和变焦驱动电机；所述变焦驱动电机驱动所述变焦透镜移动变焦；

所述光源发射的光线进入所述整形透镜；

所述整形透镜包括矩形出光面，所述整形透镜将所述光源发射的光线进行整形后，通过矩形出光面发射至所述SMS透镜；所述SMS透镜调整出射波前形状并匀化出光，得到对应的出射矩形光斑发射至所述变焦透镜。

本申请中，变焦补光***包括光源、整形透镜、同步多表面光学SMS透镜、变焦透镜和变焦驱动电机；变焦驱动电机驱动变焦透镜移动变焦。并且光源发射的光线进入整形透镜，整形透镜包括矩形出光面，整形透镜将光源发射的光线进行整形后，通过矩形出光面发射至SMS透镜；SMS透镜调整出射波前形状并匀化出光，得到对应的出射矩形光斑发射至变焦透镜。本申请通过在整形透镜后设置SMS透镜，SMS透镜调整出射波前形状改变内部照度分布，从而实现在变焦过程中光斑照度可以保持基本均匀。前段整形透镜出光面为矩形，SMS透镜设计时将其作为新的发光面，且SMS透镜设计光斑基本不变，可以保持矩形光斑。光斑形状为矩形，贴合视场角，光效高眩光少。本申请提供的变焦补光成像***成本较低、并且补光效果较好。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种变焦补光***，其特征在于，包括：光源、整形透镜、同步多表面光学SMS透镜、变焦透镜和变焦驱动电机；所述变焦驱动电机驱动所述变焦透镜移动变焦；

所述光源发射的光线进入所述整形透镜；

所述整形透镜包括矩形出光面，所述整形透镜将所述光源发射的光线进行整形后，通过矩形出光面发射至所述SMS透镜；所述SMS透镜调整出射波前形状并匀化出光，得到对应的出射矩形光斑发射至所述变焦透镜。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述整形透镜包括矩形出光面全内反射TIR构型透镜；所述TIR构型透镜用于将所述光源发射的光线进行收束及匀化出光。

3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述TIR构型透镜还包括进光口和反射面，所述反射面为矩形边界的倒碗口斜面。

4.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述进光口包括顶部进光面和侧壁进光面，所述顶部进光面为矩形边界光滑自由曲面，所述侧壁进光面为矩形口放样的斜面；所述矩形出光面为复眼阵列面。

5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述SMS透镜包括双凸构型透镜。

6.如权利要求5所述的***，其特征在于，所述SMS透镜在平面维度上，以所述整形透镜出光面边界点为扩展光源边界，以边界点出射光线作为边缘光线，并利用折反射定律并调整出射波前曲率交替构建同步进光面和同步出光面的脊点链。

7.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述SMS透镜在三维上，以所述脊点链上的点为起始点构建肋点链，并通过点云插值得到所述同步进光面和同步出光面。

8.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述变焦透镜包括正焦距透镜。

9.如权利要求8所述的***，其特征在于，所述正焦距透镜包括第一光学面和第二光学面，其中，至少有一个光学面的形状为凸面。

10.一种摄像机，其特征在于，包括：变焦镜头、控制板和如权利要求1至9任一项所述的变焦补光***；

所述控制板，用于控制所述变焦镜头变倍，并同步控制所述变焦驱动电机移动所述变焦透镜以使所述变焦补光***的发光角度与所述变焦镜头的视场角匹配。

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