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。

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。

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。

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]。

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

Fig. 1

图 1 广角端和摄远端 Fig. 1 Wide and tele

本设计系统的指标如表 1所示。

表 1(Table 1)

表 1 设计指标 Tab.1 Design target 名称 芯片尺寸/inch 焦距/mm F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 1/3 3.2～8.0 1.6～2.1 >7 <60 >50 130万 <10

表 1 设计指标 Tab.1 Design target

本设计详细参数如表 2和表 3所示。

表 2(Table 2)

表 2 结构参数 Tab.2 Structure parameters 序号 类型 R值/mm 厚度/mm Nd Vd 口径/mm 1 标准面 24.434 1.2 1.80420 46.50 20.53 2 标准面 8.1790 66 5.215 642 14.42 3 标准面 -30.878 377 0.842 524 1.71700 47.98 14.37 4 标准面 11.694 376 1.612 376 13.23 5 标准面 14.883 985 2.995 375 1.846 66 23.78 13.87 6 标准面 -82.587 306 1.547 064 1.804 20 46.50 13.64 7 标准面 50.096 883 可变 D1 13.10 光圈位置 标准面 ∞ 8.48 光阑 标准面 ∞ 0.1 8.48 10 标准面 20.200 666 1.667 211 1.749 50 35.04 8.61 11 标准面 -42.635 63 0.095 933 8.55 12 标准面 9.541 287 3.613 525 1.516 80 64.20 8.38 13 标准面 -13.241 118 4.703 257 1.846 66 23.78 7.63 14 标准面 8.996 458 0.733 405 6.58 15 标准面 22.607 087 1.723 071 1.804 20 46.50 6.70 16 标准面 -34.084 894 0.097 952 6.90 17 标准面 22.607 087 1.723 071 1.804 20 46.50 6.75 18 标准面 -34.084 894 可变 D2 6.60 19 标准面 ∞ 2.5 1.516 80 64.20 6.45 20 标准面 ∞ 2.3 6.38 21 标准面 ∞ 6.33

表 2 结构参数 Tab.2 Structure parameters

表 3(Table 3)

表 3 变焦参数 Tab.3 Zoom parameters 焦距/mm F数 全视场角 可变D1/mm 可变D2/mm 广角端 3.2 1.6 120° 21.36 2.70 摄远端 7.98 2.1 45° 3.49 9.46

表 3 变焦参数 Tab.3 Zoom parameters

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。

图 2

Fig. 2

图 2 短焦MTF Fig. 2 MTF of wide

图 3

Fig. 3

图 3 长焦MTF Fig. 3 MTF of tele

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]。

图 4

Fig. 4

图 4 相对照度图 Fig. 4 Relative illumination

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 5

Fig. 5

图 5 离焦MTF Fig. 5 Through focus MTF

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

Fig. 6

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

图 7

Fig. 7

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

图 8

Fig. 8

图 8 60 ℃短焦的MTF Fig. 8 MTF of wide at 60 ℃

图 9

Fig. 9

图 9 60 ℃长焦的MTF Fig. 9 MTF of tele at 60 ℃

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。