1000万像素全景监控镜头的光学设计

王波

摘要： 为满足全景监控镜头的高清、大视场的要求，采用反远距系统设计了工作波段为可见的4.86～6.56 μm、F数为2、垂直全视场角为185°、焦距为1.3 mm的1 000万像素高清全景监控镜头光学系统。通过匹配光学材料和分配透镜光焦度，在-20～+60 ℃温度范围内对全景监控镜头光学系统进行了设计及像质评价。结果表明，系统在奈奎斯特频率300 lp·mm-1处中心视场的光学调制传函接近衍射极限，大于0.4，0.7视场以内的光学调制传函大于0.3。系统整体无温度离焦，成像质量良好、结构紧凑，且适用于感光面尺寸为6.119 mm × 4.589 mm、像元数为3 664×2 748的CMOS探测器。

关键词： 光学设计； 全景监控镜头； 高像素； 大视场

中图分类号： O 439 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.011

文章编号： 1005-5630（2016）05-0434-07

引 言

早期为了获得大视场成像，通常采用旋转拼接技术或者增加镜头数量来达到全景目的，但是其缺点是视场拼接复杂，不易小型化，且不能对环境瞬时成像，实时性较差。全景成像技术在机器视觉、管道探测、医学内窥检查、周视监控等方面有着非常重要的作用，在航空、国防、民用、医学等领域有着广泛的应用前景[1-2]。李丽娟等[3]设计了一种大视场CCTV监控镜头，但是全视场也只有70°。陈圣聪等[4]设计了一种基于CCD传感器的超短焦全景鱼眼镜头，CCD传感器虽然在灵敏度、分辨率、噪声控制方面优于CMOS传感器，但是对于超广角镜头一般选用具有高整合度的CMOS探测器，CMOS器件对镜头出射面的主光线角度有一定的限制，并且具有低成本、低功效等优点[1]。全景监控镜头在安全防范、信息获取和指挥调度等方面发挥的作用越来越大，但是普遍停留在百万像素阶段。因此设计一款1 000万甚至1 000万以上像素且工作距长、成像质量高、结构尺寸小、质量轻的高清全景监控镜头十分必要。

高清全景镜头常用的结构有6 G（6片玻璃透镜）、8 G或者9 G以及4G2P（4片玻璃透镜和2片塑料透镜）等，然而6 G的结构在后焦要求低于20 mm的情况下难以实现高解像力（1 000万像素）的要求，9 G结构成本偏高，此外塑料材料透镜的热稳定性很差，在-20～+60 ℃环境下容易使系统发生跑焦。综合考虑，本设计采用8 G的结构。

对于高清全景镜头，本设计采用光焦度为负正两组元组成的反远距结构实现，前组为负光焦度拱形弯月透镜，后组为一组正光焦度镜组。

2 设计实例

2.1 设计指标

本设计实例为可见光波段的广角物镜，使用感光面尺寸为6.119 mm×4.589 mm、像元数为3 664×2 748 的CMOS探测器。高清反远距全景监控镜头设计的技术指标见表1。

根据像元尺寸N为1.67 μm，可确定传递函数的奈奎斯特频率为

2.2 设计结果

对于高清全景镜头，轴外光线经过前组负透镜的发散之后，使得通过后组正透镜组光线倾角明显变小，使其承担较小的视场，有利于后续组元的像差校正，而相应的负透镜组承担较大的视场。但是轴上光线经过负透镜组发散之后，使得后续组元拥有更大的孔径。此外，光学系统市场边缘照度与中心照度按cos4ω′衰减，对于大视场光学系统来说，边缘照度降低会很严重。因此引入大的桶形畸变，能够减小像方半视场角ω′值，从而保证了边缘照度缓慢下降，提高了像面照度的均匀性[8-9]。

由于首枚镜片口径最大，球面张角也最大，在保证设计性能的基础上，考虑成本及加工难度，选择相对廉价的H-LAF50A。此外，为了有效地消除色差，材料方面正透镜采用折射率低而色散系数大的材料，负透镜采用折射率高而色散系数小的材料，结构方面采用双胶合透镜。经分析及反复优化，确定系统最终的光学结构如图2所示。

系统采用7组8片式，像面附近设置滤光片，总长17 mm，前片最大口径12 mm，后工作距离2.7 mm，反远比为2.03，光学系统详细结构参数如表2所示。

2.3 像质评价

光学传递函数（MTF）反映了光学系统对物体不同频率成分的传递能力[10]。图3为系统在不同温度下的MTF图，从图中可以看出，在各温度下，截止频率300 lp/mm处，中心视场的光学调制传函接近衍射极限均大于0.4，0.7视场以内的光学调制传函大于0.3，像面对比度和明锐度满足像质要求。在-20～+60 ℃的环境温度下，通过内调焦可以主动消热差，能量集中度达到85%以上。

图4为系统场曲和畸变图，从图中可以看出系统的场曲小于0.02 mm，完全符合成像镜头对像面弯曲程度小于0.05 mm的规定。由于全景成像镜头遵循F-Theta投影关系，所以其畸变图给出的是F-Theta型畸变[1]。本设计F-Theta畸变小于-10%，完全满足设计要求，同时符合全景镜头的F-Theta成像特性。从图5可以看出，各个视场的像差都得到了很好的控制。

全景监控镜头像面相对照度越大越好，但是随着视场的增大，边缘视场的照度会迅速下降。如图6所示，通过控制和优化，本设计相对照度大于40%，满足成像镜头对照度的要求。

2.4 公差分析

经调制MTF灵敏度分析，曲率半径公差均给3个光圈，厚度公差±0.03 mm，透镜同轴度误差0.02 mm，透镜倾斜误差0.05°，折射率误差0.000 5。全景镜头的加工标准属于中精度加工，有良好的成品率，Monte Carlo分析的结果表明，此系统90%样品的传递函数在0.21以上，50%样品在0.33以上，20%样品在0.41以上。证明此光学系统没有非常严的公差要求，本设计合理，适合批量加工和装配。

3 结 论

本文通过对反远距光学结构的深入研究，设计了一款工作波段为可见4.86～6.56 μm，焦距为1.3 mm，F数为2，反远比为2.03，垂直全视场角为185°的1 000万像素高清全景监控镜头。结果表明，所设计的高清全景监控镜头在奈奎斯特频率300 lp·mm-1处中心视场的光学调制传函接近衍射极限，大于0.4，0.7视场以内的光学调制传函大于0.3。系统后工作距大，整体无温度离焦，成像质量良好，由于其结构紧凑、分辨率高、像面均匀性好，可应用于医疗、安防、娱乐等领域。

参考文献：

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