智能交通監(jiān)控鏡頭眩光模擬研究

柳曉娜

（鳳凰光學股份有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310053）

0 引言

智能交通監(jiān)控鏡頭的成像質(zhì)量直接影響了監(jiān)控效果，所以不僅要求鏡頭解析度高，也要求鏡頭沒有雜光、鬼影等眩光因素存在。否則，畫面信息被干擾，會造成我們對信息判斷失誤或者信息提取失敗。因而，在設計監(jiān)控鏡頭時，一定要進行眩光模擬分析，并對眩光加以改善和消除，使監(jiān)控畫面像質(zhì)清晰通透和有效信息不會被遮擋。本文將針對道路監(jiān)控鏡頭的眩光、鬼影等雜散光的模擬及改善進行研究。

1 眩光的種類、影響及消除方法

眩光主要分兩大類：一類是光學元件比如鏡片之間的來回反射形成的影像，叫做鬼影眩光，簡稱鬼影。之所以叫鬼影是因為這些形狀和光源相似的影像，本不應該出現(xiàn)在畫面中但卻出現(xiàn)了，如果亮度過高，會給人造成有多個光源同時存在的假象。另一類是機構件之間的反射造成的彌散不成團的雜散眩光，簡稱雜散光。

1.1 鬼影眩光

圖1所示為攝像頭常見的鬼影，其中沿著某一光束出現(xiàn)的一系列圓斑，是鏡頭中各鏡片之間反射生成的影像，它會隨著光源或鏡頭的移動而移動，且光斑所占畫面面積小。這類鬼影眩光影響度不大，消除或淡化這類鬼影的一般方法是增強AR鍍膜來降低鏡片反射率。

圖1 輕微鬼影眩光Fig.1 Slight ghosting flare

圖2所示為嚴重鬼影，左上角的圓斑遮擋了畫面大幅面積，右下角出現(xiàn)類似全反射的高亮度圓斑。如果是在道路監(jiān)控情況下，車燈為強光源，畫面若出現(xiàn)這種鬼影，會遮擋監(jiān)控車輛的型號及車牌號碼，所以這種鬼影必須要消除。這種情況下，一般是在光學設計階段通過眩光模擬分析，再優(yōu)化改變鏡片R值或鏡片之間的間隔，甚至是變更鏡片材質(zhì)，來縮小鬼影圓斑面積，并增強AR鍍膜降低鏡片反射率來淡化鬼影亮度。

圖2 嚴重鬼影眩光Fig.2 Severe ghosting flare

1.2 雜散炫光

圖3所示為薄霧狀雜散眩光，整個畫面就像覆蓋了一層薄紗，畫面對比度及清晰度下降。在道路監(jiān)控時，這種眩光畫面會導致看不清車牌號碼，嚴重干擾監(jiān)控信息提取，所以這一類雜散眩光也必須要消除。一般造成這種情況的原因是鏡片反射率大或者機構件反光，所以在鏡頭機構設計完成后，要再次進行眩光模擬，著重查看機構件反光情況，對機構反光件進行消光處理或改變形狀，另外也要加強鏡片AR鍍膜、降低鏡片反射率。

圖3 薄霧狀雜散眩光Fig.3 Misty stray glare

2 眩光模擬分析方法

2.1 Zemax軟件模擬分析

光學設計軟件一般自帶鬼影分析模塊，比如Zemax軟件通過將設計好的鏡頭轉(zhuǎn)換成非序列模式，再設置光線數(shù)量和探測器位置即可計算模擬鬼影狀況。但這種方法耗時較久，如果光學組態(tài)和鏡片數(shù)量較多，可能會耗費數(shù)個小時的模擬時間。本文介紹一種利用Zemax編程語言編寫macro的方式進行鬼影分析的方法[1-2]，可以讓設計者快速得到畫面中鬼影位置、大小等信息，并輸出鬼影圖片。為方便設計者觀察及分析，在這里只節(jié)選部分編程程序。

將所編寫的macro放在Zemax安裝文件中，并在Zemax Macro選項中打開，運行即可得到分析結果，如圖4所示。

圖4 Zemax的分析結果Fig.4 Zemax analysis results

2.2 Tracepro模擬分析

將Zemax光學設計檔案導入到Tracepro中，并將每個鏡片的材料及鍍膜條件設置到軟件中，設置方法為打開Define中的Apply Properties[3]，如圖5所示。

圖5 TracePro中Define設置頁面Fig.5 Define setting page in TracePro

Apply Properties的界面如圖6所示，在左側(cè)列表中可以選擇Material設置鏡片材料，選擇Surface設置鏡片表面屬性，比如鍍膜或完美透射，一般選擇3層鍍膜。

圖6 TracePro中Apply properties設置頁面Fig.6 Apply properties setting page in TracePro

最終設置好的界面如圖7所示，然后再設置光源，一般光源類型選擇Annular，Grid格式選擇Random?？偣饩€數(shù)目越多，分析越準確，在這里選擇20萬條光線。設置好后點擊工具條中的trace rays按鈕，即可進行光線追跡并得到分析結果。

圖7 TracePro分析結果Fig.7 TracePro analysis results

3 模擬結果分析

本文以智能交通領域的道路監(jiān)控鏡頭為模型進行模擬結果的分析。如圖8所示，左側(cè)為實拍畫面，可以發(fā)現(xiàn)在光源的下方有一個圓斑且重疊了一個水滴狀的薄霧雜光。我們用Zemax進行模擬，分析結果中出現(xiàn)了圓斑和水滴狀雜光，這與實拍照片是有對應性的，且在分析結果中看到圓斑及水滴狀雜光為最后一枚鏡片的R2表面與保護玻璃之間的反射產(chǎn)生的。同樣用Tracepro分析得出的光線追跡照度圖也可以看到亮斑和水滴狀的雜光。這表明兩種軟件的模擬分析方法均與實際情況有對應性。

圖8 改善前實拍照片和Zemax與TracePro分析結果對比Fig.8 Real photos taken before improvement&Comparison ofitsanalysis results of Zemax and TracePro

從上述模擬結果中得知，最后一枚鏡片與保護玻璃之間的反射是產(chǎn)生圓斑及水滴狀雜光的原因。因為保護玻璃是固定的平板玻璃，無法更改，所以我們需要修改最后一枚鏡片的R值，減少鏡片的彎曲度，從而使反射的光線能量分散，減少圓斑和水滴狀眩光的亮度和面積。在保證鏡頭整體光學性能和加工公差范圍的前提下，將最后一枚鏡片的R值設為變數(shù)，使用Zemax軟件對光學系統(tǒng)結構進行優(yōu)化設計，發(fā)現(xiàn)R值由23.386變?yōu)?6.329時[9-10]，可使光學性能不變的前提下，使圓斑鬼影眩光完全消失，但水滴狀鬼影眩光依舊存在，需要進一步實施對策使其減輕或消失，實拍效果及模擬分析結果如圖9所示。

圖9 改善后實拍照片和Zemax與TracePro分析結果對比Fig.9 Real photos taken after improvement&Comparison of its analysis results of Zemax and TracePro

為了解決依舊存在的水滴狀鬼影眩光，將最后一枚鏡片的AR鍍膜增加了層數(shù)使其增強，提升透過率降低了鏡片反射率，反射率數(shù)值由原來的5%降低到2%，光源下方的水滴狀眩光被淡化消除，如圖10所示，可以看出效果比較明顯，對策有效。

圖10 普通鍍膜和增強鍍膜效果實拍照片對比Fig.10 Comparison of real shot photos of ordinary coating and enhanced coating effect

4 結語

本文提出的眩光分析方法，可以快速有效和準確地模擬出眩光的形狀和亮度并找出造成眩光的原因，讓設計者及時高效地做出改善措施，避免鏡頭投入試做后才發(fā)現(xiàn)嚴重眩光造成人力物力浪費，同時可以大大縮短項目產(chǎn)品開發(fā)周期。