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1000万像素全景监控镜头的光学设计

2017-01-12王波

光学仪器 2016年5期
关键词:高像素

王波

摘要: 为满足全景监控镜头的高清、大视场的要求,采用反远距系统设计了工作波段为可见的4.86~6.56 μm、F数为2、垂直全视场角为185°、焦距为1.3 mm的1 000万像素高清全景监控镜头光学系统。通过匹配光学材料和分配透镜光焦度,在-20~+60 ℃温度范围内对全景监控镜头光学系统进行了设计及像质评价。结果表明,系统在奈奎斯特频率300 lp·mm-1处中心视场的光学调制传函接近衍射极限,大于0.4,0.7视场以内的光学调制传函大于0.3。系统整体无温度离焦,成像质量良好、结构紧凑,且适用于感光面尺寸为6.119 mm × 4.589 mm、像元数为3 664×2 748的CMOS探测器。

关键词: 光学设计; 全景监控镜头; 高像素; 大视场

中图分类号: O 439 文献标志码: A doi: 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.011

文章编号: 1005-5630(2016)05-0434-07

引 言

早期为了获得大视场成像,通常采用旋转拼接技术或者增加镜头数量来达到全景目的,但是其缺点是视场拼接复杂,不易小型化,且不能对环境瞬时成像,实时性较差。全景成像技术在机器视觉、管道探测、医学内窥检查、周视监控等方面有着非常重要的作用,在航空、国防、民用、医学等领域有着广泛的应用前景[1-2]。李丽娟等[3]设计了一种大视场CCTV监控镜头,但是全视场也只有70°。陈圣聪等[4]设计了一种基于CCD传感器的超短焦全景鱼眼镜头,CCD传感器虽然在灵敏度、分辨率、噪声控制方面优于CMOS传感器,但是对于超广角镜头一般选用具有高整合度的CMOS探测器,CMOS器件对镜头出射面的主光线角度有一定的限制,并且具有低成本、低功效等优点[1]。全景监控镜头在安全防范、信息获取和指挥调度等方面发挥的作用越来越大,但是普遍停留在百万像素阶段。因此设计一款1 000万甚至1 000万以上像素且工作距长、成像质量高、结构尺寸小、质量轻的高清全景监控镜头十分必要。

高清全景镜头常用的结构有6 G(6片玻璃透镜)、8 G或者9 G以及4G2P(4片玻璃透镜和2片塑料透镜)等,然而6 G的结构在后焦要求低于20 mm的情况下难以实现高解像力(1 000万像素)的要求,9 G结构成本偏高,此外塑料材料透镜的热稳定性很差,在-20~+60 ℃环境下容易使系统发生跑焦。综合考虑,本设计采用8 G的结构。

对于高清全景镜头,本设计采用光焦度为负正两组元组成的反远距结构实现,前组为负光焦度拱形弯月透镜,后组为一组正光焦度镜组。

2 设计实例

2.1 设计指标

本设计实例为可见光波段的广角物镜,使用感光面尺寸为6.119 mm×4.589 mm、像元数为3 664×2 748 的CMOS探测器。高清反远距全景监控镜头设计的技术指标见表1。

根据像元尺寸N为1.67 μm,可确定传递函数的奈奎斯特频率为

2.2 设计结果

对于高清全景镜头,轴外光线经过前组负透镜的发散之后,使得通过后组正透镜组光线倾角明显变小,使其承担较小的视场,有利于后续组元的像差校正,而相应的负透镜组承担较大的视场。但是轴上光线经过负透镜组发散之后,使得后续组元拥有更大的孔径。此外,光学系统市场边缘照度与中心照度按cos4ω′衰减,对于大视场光学系统来说,边缘照度降低会很严重。因此引入大的桶形畸变,能够减小像方半视场角ω′值,从而保证了边缘照度缓慢下降,提高了像面照度的均匀性[8-9]。

由于首枚镜片口径最大,球面张角也最大,在保证设计性能的基础上,考虑成本及加工难度,选择相对廉价的H-LAF50A。此外,为了有效地消除色差,材料方面正透镜采用折射率低而色散系数大的材料,负透镜采用折射率高而色散系数小的材料,结构方面采用双胶合透镜。经分析及反复优化,确定系统最终的光学结构如图2所示。

系统采用7组8片式,像面附近设置滤光片,总长17 mm,前片最大口径12 mm,后工作距离2.7 mm,反远比为2.03,光学系统详细结构参数如表2所示。

2.3 像质评价

光学传递函数(MTF)反映了光学系统对物体不同频率成分的传递能力[10]。图3为系统在不同温度下的MTF图,从图中可以看出,在各温度下,截止频率300 lp/mm处,中心视场的光学调制传函接近衍射极限均大于0.4,0.7视场以内的光学调制传函大于0.3,像面对比度和明锐度满足像质要求。在-20~+60 ℃的环境温度下,通过内调焦可以主动消热差,能量集中度达到85%以上。

图4为系统场曲和畸变图,从图中可以看出系统的场曲小于0.02 mm,完全符合成像镜头对像面弯曲程度小于0.05 mm的规定。由于全景成像镜头遵循F-Theta投影关系,所以其畸变图给出的是F-Theta型畸变[1]。本设计F-Theta畸变小于-10%,完全满足设计要求,同时符合全景镜头的F-Theta成像特性。从图5可以看出,各个视场的像差都得到了很好的控制。

全景监控镜头像面相对照度越大越好,但是随着视场的增大,边缘视场的照度会迅速下降。如图6所示,通过控制和优化,本设计相对照度大于40%,满足成像镜头对照度的要求。

2.4 公差分析

经调制MTF灵敏度分析,曲率半径公差均给3个光圈,厚度公差±0.03 mm,透镜同轴度误差0.02 mm,透镜倾斜误差0.05°,折射率误差0.000 5。全景镜头的加工标准属于中精度加工,有良好的成品率,Monte Carlo分析的结果表明,此系统90%样品的传递函数在0.21以上,50%样品在0.33以上,20%样品在0.41以上。证明此光学系统没有非常严的公差要求,本设计合理,适合批量加工和装配。

3 结 论

本文通过对反远距光学结构的深入研究,设计了一款工作波段为可见4.86~6.56 μm,焦距为1.3 mm,F数为2,反远比为2.03,垂直全视场角为185°的1 000万像素高清全景监控镜头。结果表明,所设计的高清全景监控镜头在奈奎斯特频率300 lp·mm-1处中心视场的光学调制传函接近衍射极限,大于0.4,0.7视场以内的光学调制传函大于0.3。系统后工作距大,整体无温度离焦,成像质量良好,由于其结构紧凑、分辨率高、像面均匀性好,可应用于医疗、安防、娱乐等领域。

参考文献:

[1] 江伦,黄玮,徐伟才.周视监控全景镜头设计[J].应用光学,2012,33(1):1-4.

[2] KOPILOVIC I,VAGVOLGYI B,SZIRANYI T.Application of panoramic annular lens for motion analysis tasks:surveillance and smoke detection[C]//Proceedings of the 15th International Conference on Pattern Recognition.Spain:IEEE,2000(1):714-717.

[3] 李丽娟,高瑀含,宋芳,等.CCTV监控镜头光学设计及优化技术[C]//中国光学学会2010年光学大会论文集.北京:中国光学学会,2010.

[4] 陈圣聪,林峰.超短焦全景鱼眼镜头的研究与设计[J].光电工程,2012,39(2):48-52.

[5] 刘畅,向阳,刘波,等.红外反远距光学系统的小型化设计[J].应用光学,2011,32(3):426-429.

[6] 陈潇,杨建峰,马小龙,等.长波红外大视场大相对孔径光学系统设计[J].应用光学,2010,33(3):350-353.

[7] 高明,刘刚,吕宏.长波红外反远距物镜光学被动消热差设计[J].西安工业大学学报,2015,35(2):94-100.

[8] KUMLER J J,BAUER M L.Fish-eye lens designs and their relative performance[C]//Proceedings of SPIE 4093,Current Developments in Lens Design and Optical Systems Engineering.San Diego,CA,USA:SPIE,2000,4093:360-369.

[9] COURBON J,MEZOUAR Y,ECKT L,et al.A generic fisheye camera model for robotic application[C]//Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.San Diego,CA,USA:IEEE,2007

[10] 张以谟.应用光学[M].北京:电子工业出版社,2008:36-38.

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