寬光譜日夜兩用魚眼監控鏡頭的設計

張繼艷，黃元慶，熊飛兵，孟憲國

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

1 引言

隨著人們對安防領域的日漸重視，人們不滿足于只在白天進行監控，而是希望實現24小時全天監控，日夜兩用一體化攝像機所扮演的角色日益突出［1］。不僅監獄、銀行、金庫、油庫、軍械庫、檔案館、文物部門等重要部門采用，而且也在民用監控系統中都被采用。居民小區、商用大樓等民用監控工程中也大量應用了日夜兩用一體化攝像機。

隨著傳感器技術的不斷發展，市場上越來越追求使用CCD(電荷耦合組件)，CMOS(附加金屬氧化物半導體組件)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設計是目前工業鏡頭設計的熱點之一。短焦距超廣角鏡頭廣泛應用于自動化檢測、高清安全監控等領域。鑒于日夜成像的監控需求，需要短焦距超廣角鏡頭帶紅外功能。

2 設計指標分析

目前超廣角短焦距成像透鏡的發展已相對成熟，超廣角短焦距成像物鏡多采用魚眼透鏡成像，魚眼透鏡是反遠距結構形式，前組是負透鏡光組，后組是正透鏡光組結構［2］。反遠距結構的光路圖如圖1所示，大視場隨之而產生的像差是軸外像差，由于視場角和相對口徑均較大，所以魚眼透鏡中存在著軸外像差難以消除，邊緣視場照度太低、優化中光線頻繁溢出等問題。

圖1 反遠距型光學結構圖Fig.1 Inverted telephoto optical structure

夜間的視頻監控問題，在光線太暗時無法清晰地看清目標［3－4］。為了解決這個問題，目前應用最廣的是利用主動的紅外照明光源來實現對監控目標的補光，以便達到攝像機的夜間監控要求。監控系統通過主動發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，波長是850 nm，一種是無紅曝，波長在940 nm，在感光方面，同一款攝像機，850 nm波長的感應度比在940 nm波長的感光度好10倍，所以850 nm這種有輕微紅曝的紅外燈擁有更高的效率，成為紅外夜視監控的首選項，本次設計選用波長是850 nm的紅外光波。

光學材料對不同波長所產生的光的折射率不同，必然使成像面產生色差，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。如果使用兩路光學系統分別成像勢必導致頻繁切換的麻煩，如果不手動調焦，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，采用小的相對孔徑產生大的景深，使用時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。目前市場上監控鏡頭普通采用的是F數在2.2～3的透鏡，夜間成像效果一般。小的相對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，焦點位置會發生變化。使圖像變模糊，要調整下才清楚。因為要夜間照明，紅外照明光源的消耗功率越低越好，所以通常需要大相對口徑的透鏡。本次設計中監控鏡頭的F數是1.8，可以極大地改善夜間成像的效果。

3 設計過程及結果

針對上述問題，采用市面上流行的短焦超廣角魚眼監控鏡頭［6］，在它的設計結構上考慮增加IR功能，使其在近紅外光和可見光光譜段焦點重合。設計采用的波段是可見光譜區(486～656 nm)，近紅外光譜采用無紅曝的850 nm光波。照明部分采用歐司朗紅外IR Golden Dragon SFH 4232光源，發出波長是850 nm近紅外光。設計使用彩色1/3 in Sony低照度CCD，采用現有專利中的短焦超廣角魚眼鏡頭結構。由于是日夜兩用，需要使用IR－CUT雙濾光片。光學系統結構參數見下表1。

表1 光學系統參數Tab.1 The optical system parameters

通過查找美國專利庫，得到一個類似的初始結構，專利號是3230826，該專利的初始結構參數如表2所示，初始結構的layout如圖2所示。

表2 初始結構數據表Tab.2 Lens data of initial structure

圖2 初始結構的layoutFig.2 layout of initial structure

專利的焦距是100 mm，F數是2，視場角是160°。首先把專利的玻璃換成成都光明產的國產玻璃。波長0.7～2.5 μm 的近紅外光譜區，可以使用普通玻璃［7］。接下來將焦距進行縮放，使 f'=2 mm，然后在優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就不會出現四角變暗的現象。優化時設置所有的曲率半徑和厚度間隔為變量，首先通過初步優化后得到比較穩定的結構。接下將F數減小為1.8，視場角逐漸加大到175°，控制后截距大于4.8 mm。

由于專利是白天可見光波段的設計，為了實現日夜兩用，要加上850 nm近紅外光。在設計中使用了IR－CUT雙濾光片，IR－CUT雙濾光片由一個紅外截止濾光片和一個全光譜光學玻璃構成，當白天的光線充分時紅外截止濾光片工作，CCD還原出真實色彩，當夜間光線不足時，紅外截止濾光片自動移開，全光譜光學玻璃開始工作，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，是因為白天自然光線中含有較多的紅外成分，當其進入CCD后會干擾色彩還原，使得像面的顏色產生偏差，色彩還原性較差。當夜間光線不足時，紅外截止濾光片自動移開，全光譜光學玻璃開始工作，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量好。由于白天是可見光成像近紅外光截止，而夜晚是近紅外光工作可見光截止，所以設計的時候可見光和近紅外光要分別設計，使用Zemax軟件中的多重結構設置就可以實現分別設計。采用定焦距結構，同樣的結構分別適用于可見光和近紅外光，近紅外光和可見光的焦點是一致的。

在優化的過程中，隨著視場的增大，第二個表面極其敏感［7］，極易出現光線溢出的現象，不加控制會出現超半球的結果，所以在軟件設計中采用約束條件來限制第二個表現出現超半球。

在原有結構的基礎上增加一片IR－CUT雙濾光片，濾光片的厚度是0.35 mm，最終設計的系統總長是33 mm，焦距是2 mm，視場角是175°，后截距是5.1 mm，結構較為緊湊。

最終設計透鏡系統的結構圖如圖3所示。

4 像差分析

圖3 優化后的layoutFig.3 The optimized layout

設計后光學系統的傳遞函數如圖4、圖5所示，如圖可知可見光波段軸上點在空間頻率100lp/mm處的MTF達到0.6，全視場100lp/mm的MTF達到0.3，近紅外光的軸上點在空間頻率100lp/mm處的MTF達到0.4，全視場100lp/mm的 MTF達到0.25。從點列圖中可以看出，可見光波段各視場彌散圓半徑RMS最大值是4.8 μm，近紅外光各視場的彌散圓半徑 RMS最大值是4.6 μm，如圖6、圖7所示，均小于一個像元的尺寸，以上指標均達到設計的要求。

圖4 可見光的傳遞函數Fig.4 MTF of visible wavelength

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

圖6 可見光的點列圖Fig.6 Spot diagram of visible wavelength

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

寬光譜成像對像質色差影響尤其明顯，在設計中有三組雙膠合結構，雙膠合結構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，負透鏡使用高折射率高色散的火石玻璃。隨著視場的增加，垂軸色差也在增加，但是經過第一片和第二片負透鏡后軸外視場的主光線和光軸的夾角明顯的減小。系統的垂軸色差是對結構影響較大的一個像差，本設計的垂軸色差全視場最大是4.82 μm，接近一個像元的大小，像質還是完善的。本設計也存在二級光譜由于系統的焦距不大，而二級光譜和焦距成正比ΔL'FCD=0.00052 f'，故二級光譜的大小對像質不會有太大的影響。

加入一個0.35 mm的濾波片，這個濾波片的作用是用來做IR－CUT切換的。平行平板的初級場曲系數為0，所以不會引入場曲，由于厚度不大，會產生正的初級位置色差，對前面系統所產生的負的位置色差可以部分抵消，平行平板產生的負的垂軸色差量值很小，對結果影響不大。

5 結論

本文設計了一款通用的寬光譜日夜兩用的魚眼監控鏡頭，該鏡頭的相對孔徑較大，視場角也較大，采用紅色LED照明光源及IR－CUT雙濾光片，通過Zemax多重配置結構設計，近紅外光和可見光實現了共焦，使得系統無論在白天還是在夜間都成像清晰。該系統在全視場空間頻率100lp/mm處的MTF值達到0.3，成像質量完全符合標準，該系統結構緊湊，個頭較小，可以安裝于隱蔽處，實現全天24小時監控任務。

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