2016, Vol. 38
Issue (5): 434-440
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。
1 设计方法反远距型光路原理如图 1所示。
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图 1 反远距光路原理图 Figure 1 Optical principle of inverted telephoto objective |
反远距型光学系统是由负光焦度φ1的前组和正光焦度φ2的后组两部分组成。物方光束经过负的前组φ1后发散,再被正的后组φ2会聚于F′上,后主面H′向右移动,使后工作距离l′大大增加(l′>f′),从而实现长工作距[5-7]。
根据理想光学系统理论得到系统组合光焦度为
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(1) |
依据图 1可以推导出后工作距离为
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(2) |
式中:f′为系统总焦距;l′为系统的后工作距;d为前组与后组间隔;f′1、f′2分别为前组和后组的焦距。通过式(1)、式(2)可得
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(3) |
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(4) |
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。
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表 1 技术指标 Table 1 Technical parameters |
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
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(5) |
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。
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图 2 系统外形结构图 Figure 2 Structure of the system |
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。
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表 2 详细参数 Table 2 Detailed parameters |
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。
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图 3 系统MTF图 Figure 3 MTF of the system |
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。
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图 4 系统场曲畸变图 Figure 4 Field curvature & distortion of the system |
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图 5 系统整体像差图 Figure 5 Aberration of the system |
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。
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图 6 系统相对照度图 Figure 6 Relative illumination of the system |
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。
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