1000萬像素全景監(jiān)控鏡頭的光學(xué)設(shè)計

王波

摘要： 為滿足全景監(jiān)控鏡頭的高清、大視場的要求，采用反遠距系統(tǒng)設(shè)計了工作波段為可見的4.86～6.56 μm、F數(shù)為2、垂直全視場角為185°、焦距為1.3 mm的1 000萬像素高清全景監(jiān)控鏡頭光學(xué)系統(tǒng)。通過匹配光學(xué)材料和分配透鏡光焦度，在-20～+60 ℃溫度范圍內(nèi)對全景監(jiān)控鏡頭光學(xué)系統(tǒng)進行了設(shè)計及像質(zhì)評價。結(jié)果表明，系統(tǒng)在奈奎斯特頻率300 lp·mm-1處中心視場的光學(xué)調(diào)制傳函接近衍射極限，大于0.4，0.7視場以內(nèi)的光學(xué)調(diào)制傳函大于0.3。系統(tǒng)整體無溫度離焦，成像質(zhì)量良好、結(jié)構(gòu)緊湊，且適用于感光面尺寸為6.119 mm × 4.589 mm、像元數(shù)為3 664×2 748的CMOS探測器。

關(guān)鍵詞： 光學(xué)設(shè)計； 全景監(jiān)控鏡頭； 高像素； 大視場

中圖分類號： O 439 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.011

文章編號： 1005-5630（2016）05-0434-07

引 言

早期為了獲得大視場成像，通常采用旋轉(zhuǎn)拼接技術(shù)或者增加鏡頭數(shù)量來達到全景目的，但是其缺點是視場拼接復(fù)雜，不易小型化，且不能對環(huán)境瞬時成像，實時性較差。全景成像技術(shù)在機器視覺、管道探測、醫(yī)學(xué)內(nèi)窺檢查、周視監(jiān)控等方面有著非常重要的作用，在航空、國防、民用、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。李麗娟等[3]設(shè)計了一種大視場CCTV監(jiān)控鏡頭，但是全視場也只有70°。陳圣聰?shù)萚4]設(shè)計了一種基于CCD傳感器的超短焦全景魚眼鏡頭，CCD傳感器雖然在靈敏度、分辨率、噪聲控制方面優(yōu)于CMOS傳感器，但是對于超廣角鏡頭一般選用具有高整合度的CMOS探測器，CMOS器件對鏡頭出射面的主光線角度有一定的限制，并且具有低成本、低功效等優(yōu)點[1]。全景監(jiān)控鏡頭在安全防范、信息獲取和指揮調(diào)度等方面發(fā)揮的作用越來越大，但是普遍停留在百萬像素階段。因此設(shè)計一款1 000萬甚至1 000萬以上像素且工作距長、成像質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)尺寸小、質(zhì)量輕的高清全景監(jiān)控鏡頭十分必要。

高清全景鏡頭常用的結(jié)構(gòu)有6 G（6片玻璃透鏡）、8 G或者9 G以及4G2P（4片玻璃透鏡和2片塑料透鏡）等，然而6 G的結(jié)構(gòu)在后焦要求低于20 mm的情況下難以實現(xiàn)高解像力（1 000萬像素）的要求，9 G結(jié)構(gòu)成本偏高，此外塑料材料透鏡的熱穩(wěn)定性很差，在-20～+60 ℃環(huán)境下容易使系統(tǒng)發(fā)生跑焦。綜合考慮，本設(shè)計采用8 G的結(jié)構(gòu)。

對于高清全景鏡頭，本設(shè)計采用光焦度為負正兩組元組成的反遠距結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，前組為負光焦度拱形彎月透鏡，后組為一組正光焦度鏡組。

2 設(shè)計實例

2.1 設(shè)計指標

本設(shè)計實例為可見光波段的廣角物鏡，使用感光面尺寸為6.119 mm×4.589 mm、像元數(shù)為3 664×2 748 的CMOS探測器。高清反遠距全景監(jiān)控鏡頭設(shè)計的技術(shù)指標見表1。

根據(jù)像元尺寸N為1.67 μm，可確定傳遞函數(shù)的奈奎斯特頻率為

2.2 設(shè)計結(jié)果

對于高清全景鏡頭，軸外光線經(jīng)過前組負透鏡的發(fā)散之后，使得通過后組正透鏡組光線傾角明顯變小，使其承擔(dān)較小的視場，有利于后續(xù)組元的像差校正，而相應(yīng)的負透鏡組承擔(dān)較大的視場。但是軸上光線經(jīng)過負透鏡組發(fā)散之后，使得后續(xù)組元擁有更大的孔徑。此外，光學(xué)系統(tǒng)市場邊緣照度與中心照度按cos4ω′衰減，對于大視場光學(xué)系統(tǒng)來說，邊緣照度降低會很嚴重。因此引入大的桶形畸變，能夠減小像方半視場角ω′值，從而保證了邊緣照度緩慢下降，提高了像面照度的均勻性[8-9]。

由于首枚鏡片口徑最大，球面張角也最大，在保證設(shè)計性能的基礎(chǔ)上，考慮成本及加工難度，選擇相對廉價的H-LAF50A。此外，為了有效地消除色差，材料方面正透鏡采用折射率低而色散系數(shù)大的材料，負透鏡采用折射率高而色散系數(shù)小的材料，結(jié)構(gòu)方面采用雙膠合透鏡。經(jīng)分析及反復(fù)優(yōu)化，確定系統(tǒng)最終的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)采用7組8片式，像面附近設(shè)置濾光片，總長17 mm，前片最大口徑12 mm，后工作距離2.7 mm，反遠比為2.03，光學(xué)系統(tǒng)詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

2.3 像質(zhì)評價

光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF）反映了光學(xué)系統(tǒng)對物體不同頻率成分的傳遞能力[10]。圖3為系統(tǒng)在不同溫度下的MTF圖，從圖中可以看出，在各溫度下，截止頻率300 lp/mm處，中心視場的光學(xué)調(diào)制傳函接近衍射極限均大于0.4，0.7視場以內(nèi)的光學(xué)調(diào)制傳函大于0.3，像面對比度和明銳度滿足像質(zhì)要求。在-20～+60 ℃的環(huán)境溫度下，通過內(nèi)調(diào)焦可以主動消熱差，能量集中度達到85%以上。

圖4為系統(tǒng)場曲和畸變圖，從圖中可以看出系統(tǒng)的場曲小于0.02 mm，完全符合成像鏡頭對像面彎曲程度小于0.05 mm的規(guī)定。由于全景成像鏡頭遵循F-Theta投影關(guān)系，所以其畸變圖給出的是F-Theta型畸變[1]。本設(shè)計F-Theta畸變小于-10%，完全滿足設(shè)計要求，同時符合全景鏡頭的F-Theta成像特性。從圖5可以看出，各個視場的像差都得到了很好的控制。

全景監(jiān)控鏡頭像面相對照度越大越好，但是隨著視場的增大，邊緣視場的照度會迅速下降。如圖6所示，通過控制和優(yōu)化，本設(shè)計相對照度大于40%，滿足成像鏡頭對照度的要求。

2.4 公差分析

經(jīng)調(diào)制MTF靈敏度分析，曲率半徑公差均給3個光圈，厚度公差±0.03 mm，透鏡同軸度誤差0.02 mm，透鏡傾斜誤差0.05°，折射率誤差0.000 5。全景鏡頭的加工標準屬于中精度加工，有良好的成品率，Monte Carlo分析的結(jié)果表明，此系統(tǒng)90%樣品的傳遞函數(shù)在0.21以上，50%樣品在0.33以上，20%樣品在0.41以上。證明此光學(xué)系統(tǒng)沒有非常嚴的公差要求，本設(shè)計合理，適合批量加工和裝配。

3 結(jié) 論

本文通過對反遠距光學(xué)結(jié)構(gòu)的深入研究，設(shè)計了一款工作波段為可見4.86～6.56 μm，焦距為1.3 mm，F(xiàn)數(shù)為2，反遠比為2.03，垂直全視場角為185°的1 000萬像素高清全景監(jiān)控鏡頭。結(jié)果表明，所設(shè)計的高清全景監(jiān)控鏡頭在奈奎斯特頻率300 lp·mm-1處中心視場的光學(xué)調(diào)制傳函接近衍射極限，大于0.4，0.7視場以內(nèi)的光學(xué)調(diào)制傳函大于0.3。系統(tǒng)后工作距大，整體無溫度離焦，成像質(zhì)量良好，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、像面均勻性好，可應(yīng)用于醫(yī)療、安防、娛樂等領(lǐng)域。

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