寬光譜日夜兩用魚眼監(jiān)控鏡頭的設(shè)計(jì)

張繼艷，黃元慶，熊飛兵，孟憲國(guó)

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建廈門361024;2.廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建廈門361000)

1 引言

隨著人們對(duì)安防領(lǐng)域的日漸重視，人們不滿足于只在白天進(jìn)行監(jiān)控，而是希望實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天監(jiān)控，日夜兩用一體化攝像機(jī)所扮演的角色日益突出［1］。不僅監(jiān)獄、銀行、金庫(kù)、油庫(kù)、軍械庫(kù)、檔案館、文物部門等重要部門采用，而且也在民用監(jiān)控系統(tǒng)中都被采用。居民小區(qū)、商用大樓等民用監(jiān)控工程中也大量應(yīng)用了日夜兩用一體化攝像機(jī)。

隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上越來(lái)越追求使用CCD(電荷耦合組件)，CMOS(附加金屬氧化物半導(dǎo)體組件)作為圖像傳感器件。大角域范圍覆蓋、高信息量獲取也一直是光學(xué)傳感器研制不斷追求的方向之一。由于耦合器件的尺寸受技術(shù)與工藝水平的限制，器件尺寸大小是有限的，所以只有讓鏡頭的焦距很短才能夠得到超廣角半球空域的景象。短焦距超廣角鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)是目前工業(yè)鏡頭設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)之一。短焦距超廣角鏡頭廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化檢測(cè)、高清安全監(jiān)控等領(lǐng)域。鑒于日夜成像的監(jiān)控需求，需要短焦距超廣角鏡頭帶紅外功能。

2 設(shè)計(jì)指標(biāo)分析

目前超廣角短焦距成像透鏡的發(fā)展已相對(duì)成熟，超廣角短焦距成像物鏡多采用魚眼透鏡成像，魚眼透鏡是反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)形式，前組是負(fù)透鏡光組，后組是正透鏡光組結(jié)構(gòu)［2］。反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)的光路圖如圖1所示，大視場(chǎng)隨之而產(chǎn)生的像差是軸外像差，由于視場(chǎng)角和相對(duì)口徑均較大，所以魚眼透鏡中存在著軸外像差難以消除，邊緣視場(chǎng)照度太低、優(yōu)化中光線頻繁溢出等問(wèn)題。

圖1 反遠(yuǎn)距型光學(xué)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Inverted telephoto optical structure

夜間的視頻監(jiān)控問(wèn)題，在光線太暗時(shí)無(wú)法清晰地看清目標(biāo)［3－4］。為了解決這個(gè)問(wèn)題，目前應(yīng)用最廣的是利用主動(dòng)的紅外照明光源來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的補(bǔ)光，以便達(dá)到攝像機(jī)的夜間監(jiān)控要求。監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)主動(dòng)發(fā)出紅外光線照亮物體，紅外光的亮度決定了看清物體的程度。目前市面上有兩種紅外燈照明光源，一種是紅外LED光照明，一種是紅外激光照明。紅外燈的光譜線，一種是有輕微紅曝，波長(zhǎng)是850 nm，一種是無(wú)紅曝，波長(zhǎng)在940 nm，在感光方面，同一款攝像機(jī)，850 nm波長(zhǎng)的感應(yīng)度比在940 nm波長(zhǎng)的感光度好10倍，所以850 nm這種有輕微紅曝的紅外燈擁有更高的效率，成為紅外夜視監(jiān)控的首選項(xiàng)，本次設(shè)計(jì)選用波長(zhǎng)是850 nm的紅外光波。

光學(xué)材料對(duì)不同波長(zhǎng)所產(chǎn)生的光的折射率不同，必然使成像面產(chǎn)生色差，在寬光譜成像中尤其明顯，不同波段的光成像在不同的焦面上，使最終的像面畫面模糊。如果使用兩路光學(xué)系統(tǒng)分別成像勢(shì)必導(dǎo)致頻繁切換的麻煩，如果不手動(dòng)調(diào)焦，又不能保證最佳的成像效果。

目前市面上的日夜兩用鏡頭，不是真正的寬光譜共焦，而是利用短焦鏡頭，采用小的相對(duì)孔徑產(chǎn)生大的景深，使用時(shí)聚焦成像在白天和晚上焦面之間［5］，這樣的成像效果不能保證在白天和夜晚都成像清晰。目前市場(chǎng)上監(jiān)控鏡頭普通采用的是F數(shù)在2.2～3的透鏡，夜間成像效果一般。小的相對(duì)孔徑也不能提供足夠的亮度。普通鏡頭在夜間用近紅外光的情況下，焦點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生變化。使圖像變模糊，要調(diào)整下才清楚。因?yàn)橐归g照明，紅外照明光源的消耗功率越低越好，所以通常需要大相對(duì)口徑的透鏡。本次設(shè)計(jì)中監(jiān)控鏡頭的F數(shù)是1.8，可以極大地改善夜間成像的效果。

3 設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)果

針對(duì)上述問(wèn)題，采用市面上流行的短焦超廣角魚眼監(jiān)控鏡頭［6］，在它的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上考慮增加IR功能，使其在近紅外光和可見(jiàn)光光譜段焦點(diǎn)重合。設(shè)計(jì)采用的波段是可見(jiàn)光譜區(qū)(486～656 nm)，近紅外光譜采用無(wú)紅曝的850 nm光波。照明部分采用歐司朗紅外IR Golden Dragon SFH 4232光源，發(fā)出波長(zhǎng)是850 nm近紅外光。設(shè)計(jì)使用彩色1/3 in Sony低照度CCD，采用現(xiàn)有專利中的短焦超廣角魚眼鏡頭結(jié)構(gòu)。由于是日夜兩用，需要使用IR－CUT雙濾光片。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)下表1。

表1 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 The optical system parameters

通過(guò)查找美國(guó)專利庫(kù)，得到一個(gè)類似的初始結(jié)構(gòu)，專利號(hào)是3230826，該專利的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，初始結(jié)構(gòu)的layout如圖2所示。

表2 初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表Tab.2 Lens data of initial structure

圖2 初始結(jié)構(gòu)的layoutFig.2 layout of initial structure

專利的焦距是100 mm，F(xiàn)數(shù)是2，視場(chǎng)角是160°。首先把專利的玻璃換成成都光明產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)玻璃。波長(zhǎng)0.7～2.5 μm 的近紅外光譜區(qū)，可以使用普通玻璃［7］。接下來(lái)將焦距進(jìn)行縮放，使 f'=2 mm，然后在優(yōu)化中注意控制第一片的口徑大小，使第一片透鏡的口徑不致過(guò)大，控制像面的半像高是3 mm，像面尺寸可以稍微大于半像高，這樣CCD就不會(huì)出現(xiàn)四角變暗的現(xiàn)象。優(yōu)化時(shí)設(shè)置所有的曲率半徑和厚度間隔為變量，首先通過(guò)初步優(yōu)化后得到比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。接下將F數(shù)減小為1.8，視場(chǎng)角逐漸加大到175°，控制后截距大于4.8 mm。

由于專利是白天可見(jiàn)光波段的設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)日夜兩用，要加上850 nm近紅外光。在設(shè)計(jì)中使用了IR－CUT雙濾光片，IR－CUT雙濾光片由一個(gè)紅外截止濾光片和一個(gè)全光譜光學(xué)玻璃構(gòu)成，當(dāng)白天的光線充分時(shí)紅外截止濾光片工作，CCD還原出真實(shí)色彩，當(dāng)夜間光線不足時(shí)，紅外截止濾光片自動(dòng)移開(kāi)，全光譜光學(xué)玻璃開(kāi)始工作，使CCD充分利用到所有光線，從而大大提高紅外性能。

之所以采用切換濾光片，是因?yàn)榘滋熳匀还饩€中含有較多的紅外成分，當(dāng)其進(jìn)入CCD后會(huì)干擾色彩還原，使得像面的顏色產(chǎn)生偏差，色彩還原性較差。當(dāng)夜間光線不足時(shí)，紅外截止濾光片自動(dòng)移開(kāi)，全光譜光學(xué)玻璃開(kāi)始工作，使CCD充分利用到所有光線，從而大大提高紅外性能。這種方案得到的圖像質(zhì)量好。由于白天是可見(jiàn)光成像近紅外光截止，而夜晚是近紅外光工作可見(jiàn)光截止，所以設(shè)計(jì)的時(shí)候可見(jiàn)光和近紅外光要分別設(shè)計(jì)，使用Zemax軟件中的多重結(jié)構(gòu)設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)分別設(shè)計(jì)。采用定焦距結(jié)構(gòu)，同樣的結(jié)構(gòu)分別適用于可見(jiàn)光和近紅外光，近紅外光和可見(jiàn)光的焦點(diǎn)是一致的。

在優(yōu)化的過(guò)程中，隨著視場(chǎng)的增大，第二個(gè)表面極其敏感［7］，極易出現(xiàn)光線溢出的現(xiàn)象，不加控制會(huì)出現(xiàn)超半球的結(jié)果，所以在軟件設(shè)計(jì)中采用約束條件來(lái)限制第二個(gè)表現(xiàn)出現(xiàn)超半球。

在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一片IR－CUT雙濾光片，濾光片的厚度是0.35 mm，最終設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總長(zhǎng)是33 mm，焦距是2 mm，視場(chǎng)角是175°，后截距是5.1 mm，結(jié)構(gòu)較為緊湊。

最終設(shè)計(jì)透鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 像差分析

圖3 優(yōu)化后的layoutFig.3 The optimized layout

設(shè)計(jì)后光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如圖4、圖5所示，如圖可知可見(jiàn)光波段軸上點(diǎn)在空間頻率100lp/mm處的MTF達(dá)到0.6，全視場(chǎng)100lp/mm的MTF達(dá)到0.3，近紅外光的軸上點(diǎn)在空間頻率100lp/mm處的MTF達(dá)到0.4，全視場(chǎng)100lp/mm的 MTF達(dá)到0.25。從點(diǎn)列圖中可以看出，可見(jiàn)光波段各視場(chǎng)彌散圓半徑RMS最大值是4.8 μm，近紅外光各視場(chǎng)的彌散圓半徑 RMS最大值是4.6 μm，如圖6、圖7所示，均小于一個(gè)像元的尺寸，以上指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

圖4 可見(jiàn)光的傳遞函數(shù)Fig.4 MTF of visible wavelength

圖5 近紅外光波的傳遞函數(shù)Fig.5 MTF of near－ infrared wavelength

圖6 可見(jiàn)光的點(diǎn)列圖Fig.6 Spot diagram of visible wavelength

圖7 近紅外光波的點(diǎn)列圖Fig.7 Spot diagram of near－ infrared wavelength

寬光譜成像對(duì)像質(zhì)色差影響尤其明顯，在設(shè)計(jì)中有三組雙膠合結(jié)構(gòu)，雙膠合結(jié)構(gòu)可以很好地消除位置色差和球差，第二、四、七面提供了大量的負(fù)像散和正的畸變，為了消像散，第八、九片采用鼓形的凸透鏡，提供了大量的正像散，和前面幾片的負(fù)像散部分抵消，雙膠合透鏡中凸透鏡使用低折射率低色散的冕牌玻璃，負(fù)透鏡使用高折射率高色散的火石玻璃。隨著視場(chǎng)的增加，垂軸色差也在增加，但是經(jīng)過(guò)第一片和第二片負(fù)透鏡后軸外視場(chǎng)的主光線和光軸的夾角明顯的減小。系統(tǒng)的垂軸色差是對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大的一個(gè)像差，本設(shè)計(jì)的垂軸色差全視場(chǎng)最大是4.82 μm，接近一個(gè)像元的大小，像質(zhì)還是完善的。本設(shè)計(jì)也存在二級(jí)光譜由于系統(tǒng)的焦距不大，而二級(jí)光譜和焦距成正比ΔL'FCD=0.00052 f'，故二級(jí)光譜的大小對(duì)像質(zhì)不會(huì)有太大的影響。

加入一個(gè)0.35 mm的濾波片，這個(gè)濾波片的作用是用來(lái)做IR－CUT切換的。平行平板的初級(jí)場(chǎng)曲系數(shù)為0，所以不會(huì)引入場(chǎng)曲，由于厚度不大，會(huì)產(chǎn)生正的初級(jí)位置色差，對(duì)前面系統(tǒng)所產(chǎn)生的負(fù)的位置色差可以部分抵消，平行平板產(chǎn)生的負(fù)的垂軸色差量值很小，對(duì)結(jié)果影響不大。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款通用的寬光譜日夜兩用的魚眼監(jiān)控鏡頭，該鏡頭的相對(duì)孔徑較大，視場(chǎng)角也較大，采用紅色LED照明光源及IR－CUT雙濾光片，通過(guò)Zemax多重配置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，近紅外光和可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)了共焦，使得系統(tǒng)無(wú)論在白天還是在夜間都成像清晰。該系統(tǒng)在全視場(chǎng)空間頻率100lp/mm處的MTF值達(dá)到0.3，成像質(zhì)量完全符合標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，個(gè)頭較小，可以安裝于隱蔽處，實(shí)現(xiàn)全天24小時(shí)監(jiān)控任務(wù)。

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