雙波段CCTV魚眼鏡頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

張欣婷，亢 磊，吳倩倩

（1.長春電子科技學(xué)院，吉林 長春 130012；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

引言

CCTV（closed circuit television）系統(tǒng)是目前最為普遍的一種安防手段，早期在酒店、公司、政府機關(guān)、銀行等重要場所應(yīng)用，現(xiàn)在許多智能小區(qū)甚至路邊角落也隨處可見，為保護國家公共財產(chǎn)、維護公民的合法權(quán)益免遭侵害和幫助刑偵人員犯罪現(xiàn)場取證發(fā)揮著重要作用。

CCTV 鏡頭是CCTV 系統(tǒng)的重要組成部分，由于其監(jiān)控的特殊用途，要求具有高分辨率、大視場，且結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強，可以在照明環(huán)境不佳的情況下使用等特點。目前市場上常見的CCTV鏡頭視場角多為幾十度，要實現(xiàn)大范圍監(jiān)控需要掃描或拼接，成像波段為可見光，夜晚拍攝需加補光燈。針對上述問題，本文設(shè)計了一種可見/近紅外雙波段CCTV魚眼鏡頭，在保證系統(tǒng)分辨率和結(jié)構(gòu)小型化的前提下，實現(xiàn)晝夜大范圍區(qū)域監(jiān)控[1-3]。

1 魚眼鏡頭設(shè)計原理

目前，國內(nèi)外主要采用旋轉(zhuǎn)/步進掃描技術(shù)、多鏡頭拼接技術(shù)和超廣角凝視技術(shù)實現(xiàn)大視場成像，前2 種技術(shù)損失了信息獲取的實時性，而超廣角凝視技術(shù)具有全空域包容和全時域?qū)崟r信息獲取功能，魚眼鏡頭屬于此類。魚眼鏡頭的視場能達到或者超出180°，在國防軍事、氣象監(jiān)測、安全監(jiān)視、工程測量以及微小智能系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其設(shè)計過程中采用“非相似”成像原理進行計算。

1.1 “非相似”成像原理

圖1 各種成像公式比較Fig.1 Comparison of various imaging formulas

通過上述分析可知，等距投影成像的像高和視場角為簡單的正比關(guān)系，目前應(yīng)用較為普遍，等立體角投影引入的桶形畸變比等距投影略大，正交投影的桶形畸變量最大，等體視成像應(yīng)用較少[5]，因此本文采用等距投影成像進行設(shè)計。

1.2 焦距與角分辨率的關(guān)系

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)的使用要求，確定光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下：

工作波段480 nm～850 nm，F(xiàn)數(shù)1.8，視場角180°，焦距1 mm，光學(xué)總長7.76 mm，MTF 值（120 lp/mm）＞0.5，選取0.85 cm(1/3 英寸)CCD 作為光電探測器。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式選取

由于魚眼鏡頭視場角很大，一般選取前組負光焦度，后組正光焦度的光學(xué)結(jié)構(gòu)，具有反遠距型物鏡的特征。圖2 為反遠距型物鏡的基本結(jié)構(gòu)[6-7]。

圖2 反遠距光學(xué)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Optical structure diagram of anti long distance

從圖2 可以看出，軸外入射光線在經(jīng)過透鏡I 后出射角較大，經(jīng)過透鏡II 之后角度大幅度減小，有利于軸外像差校正。同時，前負后正的光學(xué)結(jié)構(gòu)還能夠減小像方半視場角 ω′，保證像面照度均勻性，如下式所示：

式中：E(ω′)為像方半視場角的余弦函數(shù)；E0為軸上像 點照度。

2.3 像差分析

由于CCTV 鏡頭屬于廣角鏡頭，其視場角高達180°，甚至更高，因此像差校正要兼顧軸上點和軸外點，即理論上應(yīng)該校正全部7 種幾何像差。此外，還要保證整個像面的照度分布[8-10]。

1）場曲

場曲的校正方法主要有2 種：一種是正負透鏡分離，另一種是采用彎月形厚透鏡。

對于正、負光焦度分離的光學(xué)系統(tǒng)，若光焦度分別為 φ1和 φ2，透鏡間隔為d，則組合系統(tǒng)的光焦度為

若兩光組透鏡玻璃折射率相同，則組合系統(tǒng)的初級場曲系數(shù)為

由(16)式可以看出，當(dāng) φ1和 φ2異號時，組合系統(tǒng)的場曲小于單透鏡的場曲。在設(shè)計過程中，負光組盡量選擇折射率低的玻璃。

對于彎月形厚透鏡，由于它可以拆分成一個正透鏡、一個平行平板和一個負透鏡的組合，相當(dāng)于正、負光焦度分離，因此也可以采用此種方法校正場曲。

2）畸變

魚眼鏡頭視場很大，存在畸變在所難免，但畸變是7 種幾何像差之中唯一一個不影響成像清晰度的參數(shù)，而且光電探測器CCD 允許一定量的畸變存在，一般在確保其他軸外像差滿足條件的前提下，盡量設(shè)法減小畸變。如采取稍微破壞透鏡的同心度、微調(diào)光闌位置等措施，必要時也可以通過數(shù)字圖像處理來校正畸變。

3）球差、彗差

魚眼鏡頭焦距較小，且反遠距結(jié)構(gòu)軸上光線在各個折射面的偏角不大，對于球差和彗差校正起來相對容易，可以采用正負透鏡組合的形式，或者適當(dāng)調(diào)整光闌位置。

4）色差

本系統(tǒng)成像波段較寬，涵蓋可見光和近紅外雙波段，對色差的校正有一定的要求，但無需校正二級光譜，可以采用膠合的方式，或者不同阿貝數(shù)的玻璃材料替換。

2.4 設(shè)計結(jié)果

系統(tǒng)采用7 組9 片式反遠距結(jié)構(gòu)，全部為標(biāo)準(zhǔn)球面，如圖3所示。F數(shù)1.8、視場角180°、焦距1 mm、光學(xué)總長7.76 mm、工作波段480 nm～850 nm。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of optical system

利用Zemax 軟件進行優(yōu)化時，用操作數(shù)MNCG、MXCG 和MNEG 控制各透鏡的中心厚度和邊緣厚度，用操作數(shù)MNCA、MXCA 和MNEA 控制各透鏡間的中心空氣厚度和邊緣空氣厚度，用操作數(shù)LONA、COMA、ASTI、DIST、AXCL 和LACL 控制系統(tǒng)的各類初級像差，并根據(jù)像差情況調(diào)整目標(biāo)值和權(quán)重。

圖4所示為調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。當(dāng)奈奎斯特頻率為120 lp/mm 時，各視場的子午調(diào)制傳遞函數(shù)和弧矢調(diào)制傳遞函數(shù)均高于0.5，接近衍射極限。其中，除180°視場的子午調(diào)制傳遞函數(shù)外，其余曲線MTF 值全部高于0.6。

圖4 調(diào)制傳遞函數(shù)曲線Fig.4 Modulation transfer function curves

圖5所示為場曲和畸變曲線。在可見光和近紅外波段，全視場的場曲均小于1 mm。對于CCTV成像系統(tǒng)，畸變不是主要矛盾，本系統(tǒng)相對畸變?nèi)晥鲂∮?5%，也可以采用圖像數(shù)字化處理來減小畸變。

圖5 場曲與畸變Fig.5 Field curvature and distortion

圖6所示為相對照度曲線。由圖6 可知，相對照度（邊緣照度與中心照度的比值）較高，基本在95%以上，只有接近180°時降到92%。表明系統(tǒng)像面照度的均勻性良好，不會使畫面形成暗角，從而影響圖片的整體一致性。

圖6 相對照度曲線Fig.6 Relative illumination curve

綜上所述，本系統(tǒng)符合CCTV 鏡頭成像要求，且無特殊玻璃、無非球面，結(jié)構(gòu)緊湊，形式簡單，可實現(xiàn)大相對孔徑、大視場角和寬光譜的晝夜監(jiān)控，具有實際應(yīng)用價值。

利用Optis Works 軟件進行仿真模擬，其成像圖形清晰、照度較強，如圖7所示，畸變在人眼可接受的范圍內(nèi)。

圖7 Optis Works 仿真模擬成像Fig.7 Optis Works simulation imaging

3 結(jié)論

本文在“非相似”成像原理的基礎(chǔ)上，采用7 組9 片式反遠距結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款雙波段CCTV魚眼鏡頭。系統(tǒng)工作波段480 nm～850 nm，能夠?qū)梢?近紅外雙波段成像，實現(xiàn)晝夜監(jiān)控，系統(tǒng)F數(shù)1.8、視場角180°、焦距1 mm、光學(xué)總長7.76 mm，具有大相對孔徑、大視場角、小型化等特征，滿足CCTV 監(jiān)控鏡頭的使用要求。