用于安防攝像頭的同軸照明設計

曾赤良，吳大德

(湖北省機電研究設計院股份公司，湖北 武漢 430070)

引言

近年來，機器視覺技術得到迅猛發展，在民用工業和軍事領域得到廣泛地應用。“機器視覺”即采用機器代替人眼來做測量和判斷，其核心技術是圖像的采集和處理，所有的信息均來源于圖像之中，因此圖像本身的質量尤為關鍵。由于所有成像系統都需要搭配照明系統使用，因此照明系統是影響機器視覺系統圖像質量的重要因素[1]。尤其是在安防監控領域，隨著公共安防需求的提高，高清監控已然成為未來安防監控的發展趨勢。

目前，市面上的安防監控設備的鏡頭尺寸其實并不是很大，而旁邊的照明光源卻占據了很大的空間，這與電子產品小型化趨勢是不相適應的。那么，如何將這種常用的機器視覺領域里的成像光路和照明光路結合起來，讓產品更簡潔、成像質量更好，這必將成為安防監控產品的發展趨勢。為了符合這種趨勢，本文先后設計了視頻監控成像光路和使用LED光源的照明光路，并將兩個系統相結合。利用光學設計軟件ZEMAX給出了設計模型，并對照明系統和成像系統進行了分析。

1 設計過程

1.1 設計需求

本文設計的光學系統屬于安防監控領域，其中成像鏡頭的視場角為48°，為了滿足夜晚的監控使用，其搭配光圈數為2.2。具體需求如表1和表2所示，其中像高僅作為示意和參考。為了便于與照明系統相銜接，成像系統設計為像方遠心光路。

表1 成像系統設計要求

表2 照明系統設計要求

按照上述設計要求，本文設計思路分為兩個階段：第一階段，采用朗伯型LED光源進行聚光設計，以滿足像面尺寸的照明系統和成像系統相匹配，保證在第二階段完成銜接即可；第二階段，將照明系統載入到成像系統，投射到工作區域，檢測實際照明效果；最后，再進行系統的整合、優化。

1.2 照明系統設計

1.2.1 ZEMAX軟件建模和準直

本文的設計案例選用LED作為光源。首先，建立LED光源模型。使用ZEMAX程序中的非序列模式，建立直徑為2.6 mm的LED芯片，定義其發光面為朗伯型光源，選擇模擬光束50 000條，點擊光線追跡，選擇強度顯示查看其光束分布情況[2]。

LED為朗伯型光源，其光束情況見圖1左側，接受面的光束輻照度分布情況見圖1右側。由此可見，LED發出的光束分布不均勻，角度分散為120°。因此需要對光束進行準直設計。首先，設計聚光杯，通過ZEMAX設計軟件不斷調整聚光杯的面型對光束進行準直(圖2左側)；然后，再通過布爾運算定義聚光透鏡體，輸入初始參數材料選擇PMMA，載入光源，可見光束在經過聚光透鏡之后，實現了光束的準直(圖2右側)。

圖1 LED建模

圖2 光束準直模型

在聚光杯后加載探測器表面，打開探測器的輻照度圖像，可查看到準直之后的光束分布情況。由圖3可知，雖然光束都完成了收集，但是光斑的中心亮度較低，而光斑的邊緣呈現亮度不均勻的圓環分布。此時聚光杯的設計參數如表3所示。

圖3 光束準直效果圖

表3 聚光杯設計參數

但本文的設計目標是將不均勻、不規則的LED光束，均勻地投射到CCTV鏡頭的成像面上。此時的光束呈現光斑不理想，光束分布不均勻，具體表現如下：

1)輸出的光束呈現為圓形，而配套的CCTV圖像傳感器為矩形，因此需要將圓形光束轉變成矩形光束；

2)光束不均勻。

為了解決上述問題，擬采用微透鏡陣列的方式[3-5]，實現光束的整形。

1.2.2 光束的勻光和整形設計

在ZEMAX軟件中引入透鏡陣列的表面，將準直的光束分割成10×10的小方格透鏡，將每個小透鏡的曲率設置為變量，進行建模。

圖4 照明光路系統結構

為方便描述，圖4從左至右分別命名為LED及聚光杯、探測器一、透鏡陣列一、透鏡陣列二、普通聚光透鏡、探測器二。LED放置在聚光杯內部，所有元器件同軸放置，LED發出的光經過聚光杯準直之后，直射入透鏡陣列一，然后透鏡陣列一將光束分割成若干等份，并且將分割后的光束成像在透鏡陣列二上，然后再將光束經過普通聚光透鏡之后，每個分割的小光束重新將光匯聚在探測器二上。

微透鏡陣列相當于把不均勻的光束分割為不同的區域，然后再連續后面的普通透鏡，將分割后的光束呈現在探測器二上，相當于在探測器二上對光束重新進行了多次疊加和積分，這樣光束就完成了勻光設計。同時，微透鏡陣列的形狀按照CMOS的長寬比例，設計為3∶4，這樣一來，則完成了光束的整形。通過調整微透鏡的大小和個數，尺寸越小，疊加次數越多，那么在探測器上的光束就越均勻[6-8]。

優化后的設計參數如下：

1)微透鏡陣列

兩個微透鏡陣列的參數一樣，具體如表4所示。

表4 微透鏡陣列的設計參數

2)準直透鏡

單個準直透鏡的具體參數如表5所示。

表5 準直透鏡設計參數

3)元器件之間的距離

照明系統各元器件之間的距離參數如表6所示。

表6 元器件之間的距離

探測器二上的光束如圖5所示。測得照明尺寸為6 mm×8 mm，對角線長度為10 mm，尺寸和CMOS像面大小一致。由于準直前的光束口徑為11.5 mm，通過計算我們可以得到對應聚光透鏡的角度θ。即：

θ=2arctan(11.5-5)/50=2×7.4°

(1)

也就是±7.4°的照明角度。為了做到和成像光路進行銜接，需要滿足的條件為：

1)成像光路采用遠心設計；

2)遠心光束的夾角為±7.4°左右；

3)成像光路的成像面尺寸為6 mm×8 mm。

圖5 優化設計結果

此時，已經完成了照明系統的設計，照明系統光路參數如上，且光斑圖案均勻分布，聚光效果較為理想。當然，為了得到效果更佳的聚光效果，可以使用更多的微透鏡陣列和更為細致的聚光光路等方式，本文不再贅述。

1.3 成像系統設計

1.3.1 初始結構的選擇

按照上文描述，本系統需要設計一個視場角度大小為48°，像面大小6 mm×8 mm，F數為2.2左右的成像物鏡。通過查詢參考文獻[2]，可選擇天塞型照相物鏡作為初始結構設計該系統。該系統的結構如圖6所示。

天塞型照相物鏡比較常見，結構簡單，安裝方便，成像表面上的光束偏轉角度較大，不是像方遠心的結構。但是該系統的視場角度為50°，系統總長107 mm。因此，需要進行光路優化，該系統的初始參數如表7所示。

1.3.2 設計結果

為了達到滿足像方遠心光路的要求和像面大小的要求，須對上述初始結構進行優化設計。經過縮放焦距、調整成像面大小、中和系統像差之后，得到如圖7所示的設計結果。

圖6 天塞型物鏡初始結構

表7 天塞型物鏡初始參數

圖7 優化后的成像光路系統結構

優化后的成像光路系統采用了6片常規透鏡，從初始結構中的天塞型物鏡演化成類似攝遠物鏡的結構，并且像方為遠心光束。該光學系統結構簡單，成像質量較好；能滿足FOV48°，成像面6 mm×8 mm的尺寸，F數為2.2，且投射到成像面的光束為遠心光束的效果。其中入射到成像面的光束孔徑角為±7.53°，與照明系統的±7.4°匹配程度很高，可以很好地完成系統的銜接。詳細的光路參數見表8。

從設計結果來看，本系統的總長為47 mm，系統焦距為11.4 mm，后焦距為13.79 mm，F數為2.23，滿足設計要求，如圖8所示。

1.4 成像系統和照明系統的銜接

1.4.1 銜接方式

常規的安防系統，采用成像系統和照明系統相分離的方式。本文設計的成像光路后焦距為13.79 mm，系統的像面尺寸為6 mm×8 mm，對應的對角線口徑為10 mm，有足夠的空間放置棱鏡或者半反半透鏡用于系統的銜接。本設計采用半反半透鏡的方式，更為簡潔。

1.4.2 系統仿真

將成像系統導入到照明系統中，使用非序列模式進行光束追跡，如圖9所示。

在透鏡前200 mm處增加探測器，得到探測器的光束分布情況如圖10所示。

此時的光斑尺寸規整長寬為304 mm×230 mm，對角線尺寸為190 mm，計算得FOV=2×arctan(95/200)=50°，與設計的48°視場角相吻合。

表8 優化后的成像光路系統參數

圖8 設計結果像差圖

圖9 成像系統和照明系統銜接結構圖

圖10 成像系統和照明系統銜接結構圖

2 結論

本文介紹了一種實用性強的同軸照明系統，結合成像系統的設計需求，使用最便宜且最常規的朗博體LED芯片作為設計光源，設計了一款聚光角度為48°，成像角度為48°的安防光學系統。從仿真結果看，明顯優于常規的光源直接照明的方式，并且照明區域和成像系統的視場大小完全吻合，沒有多余的光束浪費。該方法可以廣泛應用于機器視覺領域，能夠有效縮小機器視覺表面的尺寸。