3.2~8 mm百万像素变焦安防镜头设计

文章编号： 10055630(2014)02013105

收稿日期： 20131007

摘要： 设计一种可用于监控系统的大孔径百万像素变焦距光学成像镜头,采用1/3英寸CCD接收,像元大小为3.75 μm。镜头在短焦、长焦位置时F数分别为1.6,2.1。利用Zemax工程光学设计软件,对镜头进行了设计与优化,并对优化后的结果进行了分析。设计的镜头在极限分辨率时,MTF较高,公差也相对较松,可以满足实际生产要求。

关键词： 光学设计; 变焦系统; 百万像素

中图分类号： TH 741文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.009

The design of 3.2~8 mm megapixel zoom security lens

HONG Jian

(Phoenix Optical (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 201807, China)

Abstract： A large diameter and megapixels zoom optical imaging lens with CCD image sensor for monitoring system was designed, and the size of CCD and the pixel was 1/3 inches and 3.75 μm respectively. F numbers of lens in the position of shortfocus and longfocus were 1.6 and 2.1 respectively. The lens was designed and optimized by using Zemax optical design software, and the optimized results were analyzed．The design of lens MTF is higher, tolerance is rather loose which meets the requirements in practical manufacture．

Key words： optical design; zoom system; megapixel

引言随着视频监控向高清、广角的方向发展,从最初的30万像素到今天的130万像素,甚至300万像素,全球视频监控技术正迎来一次技术革新,作为视频监控核心部件的监控镜头同样开始进入高速发展阶段。为了提高变焦监控镜头像质,通常会在设计中采用非球面,而塑胶非球面的环境适应性很差,玻璃非球面的加工和生产成本很高,本文就目前市场上开始流行的高清变焦监控镜头进行了设计,且不采用非球面镜片。1设计要点

1.1相关规格的确定CCTV(closed circuit television)手动变焦监控镜头对应1/3英寸,百万像素CCD芯片,采用9片玻璃镜片,实现焦距范围为3.2～8.0 mm,提供了45°~120°的广角范围,可以覆盖日常监控的需要,F数为1.6,可以带来更明亮的成像效果。对于摄像机来说,不同的接口形式要求有不同的法兰后焦,常规有两种接口形式分别为:CS接口和C接口;而该镜头使用CS接口,空气中法兰后焦为12.5 mm。镜头的工作距离从0.3 m到无限远,这样保证在近距离时也可以清晰成像。

1.2镜头像素与CCD及摄像机匹配［1］一般来说,1/3英寸百万像素CCD芯片对角线尺寸为6 mm,有效像素为1 280×1 024,最小像元(pixel size)为3.75 μm,因此镜头的最高分辨率不能低于135 lp/mm,像高要大于6 mm,防止装调偏离光轴而造成暗角。

光学仪器第36卷

第2期洪坚：3.2~8 mm百万像素变焦安防镜头设计

1.3环境适应性CCTV监控类镜头使用环境大多比较广泛,温度要求一般在-20～+60 ℃范围,因此对镜头的环境适应性要求也比较高,所以采用全玻璃镜片的结构形式,可以从源头上避免环境温度差异带来的镜头像质不良变化。

1.4材料的选择 在光学设计中,通常正透镜采用折射率低而色散系数大的材料,负透镜应采用折射率高而色散系数小的材料［2］。从降低成本的角度考虑,均选用使用频率较高的环保材料。2光学设计

2.1初始结构的选择 一个完美的设计通常从初始结构的选型开始,初始结构的选择好坏,关系到设计的成功与否。对于光学设计者来说,最好最快的办法是直接从专利中选取一个适当的结构作为初始结构,然后优化。如果靠设计者自己去建立一个初始结构是比较困难的,需要多年的设计经验和丰富的像差理论知识。本设计的初始结构采用了LensVIEW中一个变焦专利的雏形结构。选择初始结构的原则是视场和光圈与设计的要求相当,焦距通过缩放镜头的办法可以达到要求［3］。

2.2设计结果

2.2.1光路图 利用Zemax光学设计软件对其进行了模拟设计和优化,其优化后的光学系统如图1所示。

图1广角端和摄远端

Fig.1Wide and tele

2.2.2设计指标本设计系统的指标如表1所示。

表1设计指标

Tab.1Design target

名称芯片尺寸/inch焦距/mmF数光学后焦(空气中)/mm光学总长/mm相对照度/%像素/pixel结构形式/片指标1/33.2～8.01.6～2.1>7<60>50130万<10

2.2.3详细参数本设计详细参数如表2和表3所示。

表2结构参数

Tab.2Structure parameters

序号类型R值/mm厚度/mmNdVd口径/mm1标准面24.4341.21.8042046.5020.532标准面8.1790 665.215 64214.423标准面-30.878 3770.842 5241.7170047.9814.374标准面11.694 3761.612 37613.235标准面14.883 9852.995 3751.846 6623.7813.876标准面-82.587 3061.547 0641.804 2046.5013.647标准面50.096 883可变 D113.10光圈位置标准面∞8.48光阑标准面∞0.18.4810标准面20.200 6661.667 2111.749 5035.048.6111标准面-42.635 630.095 9338.5512标准面9.541 2873.613 5251.516 8064.208.3813标准面-13.241 1184.703 2571.846 6623.787.6314标准面8.996 4580.733 4056.5815标准面22.607 0871.723 0711.804 2046.506.7016标准面-34.084 8940.097 9526.9017标准面22.607 0871.723 0711.804 2046.506.7518标准面-34.084 894可变 D26.6019标准面∞2.51.516 8064.206.4520标准面∞2.36.3821标准面∞6.33

表3变焦参数

Tab.3Zoom parameters

焦距/mmF数全视场角可变D1/mm可变D2/mm广角端3.21.6120°21.362.70摄远端7.982.145°3.499.46

3结果分析

3.1光学调制传递函数光学调制传递函数(MTF)是对镜头分辨率的直接评价。频率主要由CMOS的最小像元大小决定,选择的CMOS最小像元R=3.75 μm,因此由公式f=1/2R可以算出频率为135 lp/mm,即镜头的分辨率要达到135 lp/mm。对于CCTV镜头,一般要求0.8视场以内能分辨清楚就可以了,轴外视场的分辨率允许一定程度的下降。如图2所示为短焦MTF曲线,可以看到,在频率135 lp／mm时,0.8视场以内的短焦的光学调制传函大于0.3,轴外视场略有下降,但总体可以满足要求。如图3所示为长焦MTF曲线,可以看到,全视场MTF大于0.3,在0.8视场以内的MTF大于0.4,长焦的解像力表现完全没有问题。

3.2像面相对照度 对于CCTV镜头,相对照度越大越好,但是随着视场的增大,相对照度会不断降低,一般认为相对照度大于50％即可。如果照度太低,边缘视场的光线会较暗,画面容易形成暗角,人眼很容易察觉,从而影响图片的整体一致性。如图4所示为像面相对照度图,可以看出相对照度大于60％,完全满足要求［4］。

3.3离焦MTF为了方便镜头调焦,离焦MTF必须有一定的要求。一般镜头只有调焦调到最佳像面时才会表现良好。如果调焦调过了或者没调到位,镜头的表现会很不好。只有设计时离焦MTF也很好的时候,镜头才会更容易调到像质良好的位置。从图5所示的离焦MTF图可以看出,离焦0.015 mm时,MTF在135 lp/mm处大于0.2,符合要求。

图2短焦MTF

Fig.2MTF of wide图3长焦MTF

Fig.3MTF of tele

图4相对照度图

Fig.4Relative illumination图5离焦MTF

Fig.5Through focus MTF

3.4温度分析CCTV镜头通常要应用在不同的环境中,环境温度变化很大。由于温度对镜片材料的性能影响很大,所以在设计过程中必须考虑温度对光学系统性能的影响。本镜头设计考虑的温度范围是-20～60 ℃。CCTV镜头的使用环境温度基本不会超出这个范围。图6和图7分别是在-20 ℃时短焦和长焦的MTF曲线。图8和图9分别是在60 ℃时短焦和长焦的MTF曲线。从图中可以看出镜头在-20 ℃时解像力比60 ℃时好,但是即使在60 ℃时MTF也是合格的。因此,所设计系统不受温差影响。

图6-20 ℃短焦的MTF

Fig.6MTF of wide at -20 ℃图7-20 ℃长焦的MTF

Fig.7MTF of tele at -20 ℃图860 ℃短焦的MTF

Fig.8MTF of wide at 60 ℃图960 ℃长焦的MTF

Fig.9MTF of tele at 60 ℃

3.5公差分析评价一个设计的好坏,除了看设计的像质和其它指标是否达到要求外,还有一个最为重要的因素是公差,公差的松和紧决定了产品最终能否装调成功。公差松的结构装调容易,而公差紧的结构通常是超出了当前的工艺加工能力,难以装调成功,即使偶尔能够装出几个良品镜头,最终也难以批量生产。对本设计进行公差分析表明,公差都在常规可加工的公差范围内,工艺性良好。4结论本文介绍了二组元变焦系统的设计方法,设计出了一种可以用于监控系统的变焦光学系统。该系统像质好,总长小于60 mm,光圈1.6,公差也相对较松,加工难度低,价格适中,适合中高档监控系统使用。参考文献：

［1］王之江.实用光学技术手册［M］.北京:机械工业出版社,2006:213219.

［2］袁旭仓.光学设计［M］.北京:科学出版社,1988:111135.

［3］金逢溪,金虎杰.变焦镜头结构形式的最佳选择方法［J］.光学仪器,2004,26(1):3438.

［4］徐昌杰,权贵秦.应用光学［M］.西安:陕西人民出版社,2002:97106.

表3变焦参数

Tab.3Zoom parameters

焦距/mmF数全视场角可变D1/mm可变D2/mm广角端3.21.6120°21.362.70摄远端7.982.145°3.499.46

3结果分析

3.1光学调制传递函数光学调制传递函数(MTF)是对镜头分辨率的直接评价。频率主要由CMOS的最小像元大小决定,选择的CMOS最小像元R=3.75 μm,因此由公式f=1/2R可以算出频率为135 lp/mm,即镜头的分辨率要达到135 lp/mm。对于CCTV镜头,一般要求0.8视场以内能分辨清楚就可以了,轴外视场的分辨率允许一定程度的下降。如图2所示为短焦MTF曲线,可以看到,在频率135 lp／mm时,0.8视场以内的短焦的光学调制传函大于0.3,轴外视场略有下降,但总体可以满足要求。如图3所示为长焦MTF曲线,可以看到,全视场MTF大于0.3,在0.8视场以内的MTF大于0.4,长焦的解像力表现完全没有问题。

3.2像面相对照度 对于CCTV镜头,相对照度越大越好,但是随着视场的增大,相对照度会不断降低,一般认为相对照度大于50％即可。如果照度太低,边缘视场的光线会较暗,画面容易形成暗角,人眼很容易察觉,从而影响图片的整体一致性。如图4所示为像面相对照度图,可以看出相对照度大于60％,完全满足要求［4］。

3.3离焦MTF为了方便镜头调焦,离焦MTF必须有一定的要求。一般镜头只有调焦调到最佳像面时才会表现良好。如果调焦调过了或者没调到位,镜头的表现会很不好。只有设计时离焦MTF也很好的时候,镜头才会更容易调到像质良好的位置。从图5所示的离焦MTF图可以看出,离焦0.015 mm时,MTF在135 lp/mm处大于0.2,符合要求。

图2短焦MTF

Fig.2MTF of wide图3长焦MTF

Fig.3MTF of tele

图4相对照度图

Fig.4Relative illumination图5离焦MTF

Fig.5Through focus MTF

3.4温度分析CCTV镜头通常要应用在不同的环境中,环境温度变化很大。由于温度对镜片材料的性能影响很大,所以在设计过程中必须考虑温度对光学系统性能的影响。本镜头设计考虑的温度范围是-20～60 ℃。CCTV镜头的使用环境温度基本不会超出这个范围。图6和图7分别是在-20 ℃时短焦和长焦的MTF曲线。图8和图9分别是在60 ℃时短焦和长焦的MTF曲线。从图中可以看出镜头在-20 ℃时解像力比60 ℃时好,但是即使在60 ℃时MTF也是合格的。因此,所设计系统不受温差影响。

图6-20 ℃短焦的MTF

Fig.6MTF of wide at -20 ℃图7-20 ℃长焦的MTF

Fig.7MTF of tele at -20 ℃图860 ℃短焦的MTF

Fig.8MTF of wide at 60 ℃图960 ℃长焦的MTF

Fig.9MTF of tele at 60 ℃

3.5公差分析评价一个设计的好坏,除了看设计的像质和其它指标是否达到要求外,还有一个最为重要的因素是公差,公差的松和紧决定了产品最终能否装调成功。公差松的结构装调容易,而公差紧的结构通常是超出了当前的工艺加工能力,难以装调成功,即使偶尔能够装出几个良品镜头,最终也难以批量生产。对本设计进行公差分析表明,公差都在常规可加工的公差范围内,工艺性良好。4结论本文介绍了二组元变焦系统的设计方法,设计出了一种可以用于监控系统的变焦光学系统。该系统像质好,总长小于60 mm,光圈1.6,公差也相对较松,加工难度低,价格适中,适合中高档监控系统使用。参考文献：

［1］王之江.实用光学技术手册［M］.北京:机械工业出版社,2006:213219.

［2］袁旭仓.光学设计［M］.北京:科学出版社,1988:111135.

［3］金逢溪,金虎杰.变焦镜头结构形式的最佳选择方法［J］.光学仪器,2004,26(1):3438.

［4］徐昌杰,权贵秦.应用光学［M］.西安:陕西人民出版社,2002:97106.

表3变焦参数

Tab.3Zoom parameters

焦距/mmF数全视场角可变D1/mm可变D2/mm广角端3.21.6120°21.362.70摄远端7.982.145°3.499.46

3结果分析

3.1光学调制传递函数光学调制传递函数(MTF)是对镜头分辨率的直接评价。频率主要由CMOS的最小像元大小决定,选择的CMOS最小像元R=3.75 μm,因此由公式f=1/2R可以算出频率为135 lp/mm,即镜头的分辨率要达到135 lp/mm。对于CCTV镜头,一般要求0.8视场以内能分辨清楚就可以了,轴外视场的分辨率允许一定程度的下降。如图2所示为短焦MTF曲线,可以看到,在频率135 lp／mm时,0.8视场以内的短焦的光学调制传函大于0.3,轴外视场略有下降,但总体可以满足要求。如图3所示为长焦MTF曲线,可以看到,全视场MTF大于0.3,在0.8视场以内的MTF大于0.4,长焦的解像力表现完全没有问题。

3.2像面相对照度 对于CCTV镜头,相对照度越大越好,但是随着视场的增大,相对照度会不断降低,一般认为相对照度大于50％即可。如果照度太低,边缘视场的光线会较暗,画面容易形成暗角,人眼很容易察觉,从而影响图片的整体一致性。如图4所示为像面相对照度图,可以看出相对照度大于60％,完全满足要求［4］。

3.3离焦MTF为了方便镜头调焦,离焦MTF必须有一定的要求。一般镜头只有调焦调到最佳像面时才会表现良好。如果调焦调过了或者没调到位,镜头的表现会很不好。只有设计时离焦MTF也很好的时候,镜头才会更容易调到像质良好的位置。从图5所示的离焦MTF图可以看出,离焦0.015 mm时,MTF在135 lp/mm处大于0.2,符合要求。

图2短焦MTF

Fig.2MTF of wide图3长焦MTF

Fig.3MTF of tele

图4相对照度图

Fig.4Relative illumination图5离焦MTF

Fig.5Through focus MTF

3.4温度分析CCTV镜头通常要应用在不同的环境中,环境温度变化很大。由于温度对镜片材料的性能影响很大,所以在设计过程中必须考虑温度对光学系统性能的影响。本镜头设计考虑的温度范围是-20～60 ℃。CCTV镜头的使用环境温度基本不会超出这个范围。图6和图7分别是在-20 ℃时短焦和长焦的MTF曲线。图8和图9分别是在60 ℃时短焦和长焦的MTF曲线。从图中可以看出镜头在-20 ℃时解像力比60 ℃时好,但是即使在60 ℃时MTF也是合格的。因此,所设计系统不受温差影响。

图6-20 ℃短焦的MTF

Fig.6MTF of wide at -20 ℃图7-20 ℃长焦的MTF

Fig.7MTF of tele at -20 ℃图860 ℃短焦的MTF

Fig.8MTF of wide at 60 ℃图960 ℃长焦的MTF

Fig.9MTF of tele at 60 ℃

3.5公差分析评价一个设计的好坏,除了看设计的像质和其它指标是否达到要求外,还有一个最为重要的因素是公差,公差的松和紧决定了产品最终能否装调成功。公差松的结构装调容易,而公差紧的结构通常是超出了当前的工艺加工能力,难以装调成功,即使偶尔能够装出几个良品镜头,最终也难以批量生产。对本设计进行公差分析表明,公差都在常规可加工的公差范围内,工艺性良好。4结论本文介绍了二组元变焦系统的设计方法,设计出了一种可以用于监控系统的变焦光学系统。该系统像质好,总长小于60 mm,光圈1.6,公差也相对较松,加工难度低,价格适中,适合中高档监控系统使用。参考文献：

［1］王之江.实用光学技术手册［M］.北京:机械工业出版社,2006:213219.

［2］袁旭仓.光学设计［M］.北京:科学出版社,1988:111135.

［3］金逢溪,金虎杰.变焦镜头结构形式的最佳选择方法［J］.光学仪器,2004,26(1):3438.

［4］徐昌杰,权贵秦.应用光学［M］.西安:陕西人民出版社,2002:97106.