智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的光學成像鏡頭設計

王 琨，林 峰

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智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的光學成像鏡頭設計

王 琨，林 峰

( 福建師范大學 光電與信息工程學院 醫(yī)學光電科學與技術教育部重點實驗室, 福州 350007 )

本文通過Zemax軟件設計一款用于智能交通監(jiān)控系統(tǒng)車牌識別的寬波段、大孔徑、大靶面光學成像鏡頭。利用紅外技術，保證在昏暗或夜間環(huán)境中仍然能夠清晰成像。近紅外中心波長為850 nm，采用Zemax多重組態(tài)設計，使可見光和近紅外光共焦。根據消色差理論，選擇合適材料組合消色差，最大焦面漂移量為44 μm。通過鏡頭應用參數分析，鏡頭F數設定為1.2，半視場角為13°，使用索尼ICX814一英寸CCD圖像傳感器，像元尺寸為3.7 μm×3.7 μm，全視場MTF值在空間頻率135 lp/mm大于0.3。

光學設計；車牌識別；寬波段；消色差

0 引 言

隨著交通系統(tǒng)的日益繁忙，智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的作用愈發(fā)突出。車牌識別是智能交通監(jiān)控的重要部分，對車牌信息的實時清晰成像，將為公安交通管理部門提取違法車輛的信息提供可靠的證據[1]。車輛的抓拍與環(huán)境的亮度和能見度密切相關，在黑暗或者能見度不佳時，鏡頭成像的質量會大幅度下降甚至無法實現(xiàn)抓拍。在智能交通監(jiān)控領域，具有日夜兩用功能的高端鏡頭大多數由精工、Kowa、Computar等國外廠商占據，例如精工在2013年推出了2/3英寸(1英寸對角線長度為16 mm)靶面、最大光圈值F1.4、500萬像素的多款智能交通專用鏡頭，不具備日夜共焦；Computar在2014年推出的M3518FIC-MPIR，光圈值為F1.8、靶面2/3英寸、500萬像素，具有IR紅外功能。國內涉及智能交通監(jiān)控的廠商有舜宇光學、長步道光學、福特科等，產品指標大體與國外廠商一致。例如舜光學推出的SYC7050A，F(xiàn)數為1.4、1英寸靶面、500萬像素，具有日夜功能；福特科推出的CM-(8MP)-1F12系列，F(xiàn)數達到1.2、靶面為1英寸、800萬像素，但不具備日夜功能。總的來說，現(xiàn)在主流產品指標為靶面2/3英寸、F數多為1.4以上、500萬像素。本文通過多重組態(tài)設計方法[8]，采用紅外技術，設計了一款大孔徑、大靶面的監(jiān)控鏡頭。該鏡頭具有紅外校正，分辨力達到900萬像素，能夠實現(xiàn)晝夜高清監(jiān)控。同時該系統(tǒng)全部為球面設計，使用普通光學玻璃。

1 光學系統(tǒng)的設計優(yōu)化

1.1 光學設計指標分析

我國城市道路主干道一般為雙向六車道，每車道寬度3.5 m。車牌有標準統(tǒng)一的大小，即寬度為45 cm，高度為15 cm。車牌上單個字符寬45 mm，字符的筆畫寬度為10 mm，第2字符與第3字符之間的間隙為34 mm，其他字符間隙為12 mm。車牌抓拍的圖像大小會隨CCD采集圖像的時機[2]不同而產生一定比例的縮放，但是總體比例不會有太大變化。

該監(jiān)控鏡頭用于拍攝單向三車道的范圍，物距為25 m～35 m。采用索尼ICX814一英寸靶面CCD圖像傳感器，圖1為它的光譜響應曲線，大靶面保證成像范圍足夠大，有效感光尺寸為12.8 mm×9.6 mm，像元大小為3.7mm×3.7mm。如圖2所示，為拍攝車道半寬，為CCD成像面水平半寬，為物距，為水平半視場角。由三角關系得，，取=30 m，代入后得。根據圖像傳感器H :V :D=4 :3 :5的比例關系可以求得半視場角。再由像高與視場角的關系，焦距，代入求得mm，取焦距為35 mm，經過理論計算25 m～35 m范圍該鏡頭都滿足分辨力要求。

圖1 光譜靈敏度特性

圖2 物像關系

本文設計的監(jiān)控鏡頭工作波長為可見光和近紅外光，無論白晝或黑夜都能清晰成像。該鏡頭用于夜間監(jiān)控時，采用主動的紅外照明光源來對監(jiān)控的目標補光[4]，保證亮度達到攝像機的成像要求。目前使用的紅外燈的光譜線有兩種，一種是有輕微紅曝，波長是850 nm；一種是無紅曝，波長在940 nm[4]。對于同一款攝像機，850 nm波長的感應度比在940 nm波長的感應度要好10倍。所以近紅外光的中心波長選擇850 nm。F數是相對孔徑()的倒數，決定鏡頭通光量的大小。為保證鏡頭夜間近紅外光的通光量，F(xiàn)數要較小。由于國內產品較少，參照日本精工推出的同類產品的技術指標，該鏡頭設計F數定為1.2，可以極大改善夜間的成像效果。畸變會導致成像的變形，為了能夠準確的識別車牌上的字符，根據實際應用，要求設計畸變小于-2.5%。通過上述分析，確定該鏡頭的設計指標如表1所示。

表1 設計指標

Table 1 Design specification

1.2 初始結構優(yōu)化

攝像鏡頭普遍采用天塞和雙高斯結構，前者主要用于中等孔徑；后者則用于大孔徑中等視場[5]。由于設計指標F數1.2屬于大孔徑，所以尋找雙高斯結構作為初始結構有益于后續(xù)優(yōu)化。得到的初始結構圖及MTF曲線如圖3、圖4所示。該結構的參數：焦距為35.5 mm，F(xiàn)數是1.28，視場角達到64°，接近設計指標。該初始結構為改良型的雙高斯結構，不僅易于像差的校正，同時在裝配上可以提高良品率。首先選擇成都光明玻璃庫，縮放焦距為35 mm，半視場角設為13°。設計波段有可見光和近紅外光，采用多重組態(tài)設計，實現(xiàn)可見光與近紅外光共焦。雙膠合透鏡有利于消球差和色差，同時膠合組也利于生產和裝配。圖3上看出第六面和第七面曲率及間距相差很小，可以將第三片和第四片膠合起來，增加膠合組還能簡化整體結構。設置評價函數嚴格控制焦距和畸變，同時控制玻璃厚度與曲率，以及材料的折射率和阿貝系數等邊界條件，將初始結構優(yōu)化至穩(wěn)定結構。

圖3 初始結構

圖4 MTF 曲線

1.3 光學材料的選擇

色差是不同波長的光透過光學介質時，因色散不同而導致成像位置和成像倍率的不同。由于該鏡頭是寬波段成像，色差是影響成像質量的重要因素之一，因此必須消色差[7]。根據消色差理論，整個光學系統(tǒng)應滿足[7]：

2 像質分析

選擇合理的材料后，把握好各個視場及優(yōu)化操作數的權重設置，通過全局優(yōu)化和錘形優(yōu)化，其成像質量得到很大的改善。優(yōu)化后的光學系統(tǒng)結構如圖5所示，圖6所示為全波段場曲和畸變，最大畸變小于-2%，滿足應用要求。

圖5 光學系統(tǒng)結構

圖6 場曲和畸變

圖7分別為可見光和近紅外光的MTF曲線。0.7視場內是鏡頭成像的主要區(qū)域，邊緣視場的成像質量允許一定程度的下降。從圖中可以看出，無論是可見光波段還是近紅外光波段，在0.7視場內135 lp/mm處MTF值均大于0.32，分辨力較高。圖8為兩個波段的點列圖，可以看出除了可見光波段邊緣視場的彌散圓半徑略大于像元尺寸3.7 μm，其余各視場的彌散圓半徑均小于像元尺寸，滿足設計要求。圖9和圖10所示是全波段色差曲線圖與多色光焦點漂移圖，0.486 μm、0.656 μm、0.850 μm三個波段在0.707孔徑帶基本交于一點，最大焦移量為44 μm，系統(tǒng)實現(xiàn)了消色差。

圖7 MTF 曲線 (a) 可見光波段；(b) 近紅外波段

圖8 點列圖 (a) 可見光波段；(b) 近紅外波段

圖9 色球差曲線

圖10 焦點漂移圖

3 公差分析

完成理論的光學設計后，產品投產前需根據實際的生產工藝和裝配檢測工藝的公差標準，進行合理的公差分配，以此保證產品的實際光學性能和良率。表2是該系統(tǒng)的公差要求。

表2 公差要求

Table 2 Tolerance requirements

以135 lp/mm的衍射平均值為評價標準，用Zemax進行公差分析后，影響較為嚴重的公差操作數如圖11所示。從圖中可以看出，對MTF影響最大的是第14到第19光學面的厚度偏差、第7和第16光學面的傾斜公差以及第1片與第9片透鏡的偏心公差。生產加工時對這幾個公差需要較為嚴格的控制，第14到第19光學面的厚度公差設置為±0.02 mm，同時對應傾角公差設為1.5′，偏心公差設為0.01 mm。再次進行公差分析，蒙特卡羅模擬后的MTF曲線及結果如圖12及表3所示，分析結果為90%大于0.131 892 264，說明根據上述公差要求該光學系統(tǒng)的公差分配滿足實際生產加工及裝配要求。

圖11 最敏感公差操作數

圖12 蒙特卡羅MTF 曲線

表3 蒙特卡羅分析結果

Table 3 The results of Monte Carlo analysis

4 結 論

本文采用Zemax軟件設計了一款大孔徑、大靶面、具有紅外校正的智能交通監(jiān)控鏡頭。鏡頭的F數為1.2，靶面為1英寸。對光學系統(tǒng)的像質分析表明，可見光和近紅外光在135 lp/mm都具有較高的分辨力，像差控制符合設計指標，鏡頭滿足車牌識別的應用要求。經公差分析可知該鏡頭滿足實際生產加工要求，并給出了生產中應著重管控的位置。所使用材料都為常見光學玻璃，全部為球面設計，具有較好的應用前景。

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Design of Optical Imaging Lens for Intelligent Transportation Monitoring System

WANG Kun，LIN Feng

( Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine Ministry of Education, College of Photoelectric and Information Engineering, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China )

A wide waveband, large aperture and target optical imaging lens is designed by using Zemax software, which is applied to recognize license plate in intelligent transportation monitoring system. By using the infrared corresponding technology, the lens can still obtain clear imaging in the dark or night. The near infrared central wavelength is 850 nm. The Zemax multi-configuration design method is used to make visible light and near-infrared light confocal. According to the achromatic theory, appropriate material is chosen to eliminate chromatism and the maximum focal shift is 44 μm. After analyzing the lens application parameters, the F number is set to 1.2 and half field of view is 13°. In addition, the lens goes with Sony ICX841 CCD image sensor and the target surface is one inch. And the pixels size is 3.7 μm×3.7 μm. Furthermore, MTF of all fields are more than 0.3 at the spatial frequency of 135 lp/mm.

optical design; license plate recognition; wide waveband; achromatism

TN241

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.05.011

2015-09-10；

2016-01-02

福建省科技廳重點項目(2013H0022)；福州市科技計劃項目(2014-G-68)

王琨(1988-)，男(漢族)，福建建陽人。碩士研究生，主要從事光學設計方面的研究。E-mail: 419625206@qq.com。

林峰(1968-)，男(漢族)，福建龍巖人。高級工程師，主要從事光學設計方面的研究。E-mail: lfeng127@163.com。