文章編號： 10055630(2014)02013105

收稿日期： 20131007

摘要： 設(shè)計一種可用于監(jiān)控系統(tǒng)的大孔徑百萬像素變焦距光學(xué)成像鏡頭,采用1/3英寸CCD接收,像元大小為3.75 μm。鏡頭在短焦、長焦位置時F數(shù)分別為1.6,2.1。利用Zemax工程光學(xué)設(shè)計軟件,對鏡頭進行了設(shè)計與優(yōu)化,并對優(yōu)化后的結(jié)果進行了分析。設(shè)計的鏡頭在極限分辨率時,MTF較高,公差也相對較松,可以滿足實際生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞： 光學(xué)設(shè)計; 變焦系統(tǒng); 百萬像素

中圖分類號： TH 741文獻標(biāo)志碼： 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

引言隨著視頻監(jiān)控向高清、廣角的方向發(fā)展,從最初的30萬像素到今天的130萬像素,甚至300萬像素,全球視頻監(jiān)控技術(shù)正迎來一次技術(shù)革新,作為視頻監(jiān)控核心部件的監(jiān)控鏡頭同樣開始進入高速發(fā)展階段。為了提高變焦監(jiān)控鏡頭像質(zhì),通常會在設(shè)計中采用非球面,而塑膠非球面的環(huán)境適應(yīng)性很差,玻璃非球面的加工和生產(chǎn)成本很高,本文就目前市場上開始流行的高清變焦監(jiān)控鏡頭進行了設(shè)計,且不采用非球面鏡片。1設(shè)計要點

1.1相關(guān)規(guī)格的確定CCTV(closed circuit television)手動變焦監(jiān)控鏡頭對應(yīng)1/3英寸,百萬像素CCD芯片,采用9片玻璃鏡片,實現(xiàn)焦距范圍為3.2～8.0 mm,提供了45°~120°的廣角范圍,可以覆蓋日常監(jiān)控的需要,F數(shù)為1.6,可以帶來更明亮的成像效果。對于攝像機來說,不同的接口形式要求有不同的法蘭后焦,常規(guī)有兩種接口形式分別為:CS接口和C接口;而該鏡頭使用CS接口,空氣中法蘭后焦為12.5 mm。鏡頭的工作距離從0.3 m到無限遠,這樣保證在近距離時也可以清晰成像。

1.2鏡頭像素與CCD及攝像機匹配［1］一般來說,1/3英寸百萬像素CCD芯片對角線尺寸為6 mm,有效像素為1 280×1 024,最小像元(pixel size)為3.75 μm,因此鏡頭的最高分辨率不能低于135 lp/mm,像高要大于6 mm,防止裝調(diào)偏離光軸而造成暗角。

光學(xué)儀器第36卷

第2期洪堅：3.2~8 mm百萬像素變焦安防鏡頭設(shè)計

1.3環(huán)境適應(yīng)性CCTV監(jiān)控類鏡頭使用環(huán)境大多比較廣泛,溫度要求一般在-20～+60 ℃范圍,因此對鏡頭的環(huán)境適應(yīng)性要求也比較高,所以采用全玻璃鏡片的結(jié)構(gòu)形式,可以從源頭上避免環(huán)境溫度差異帶來的鏡頭像質(zhì)不良變化。

1.4材料的選擇 在光學(xué)設(shè)計中,通常正透鏡采用折射率低而色散系數(shù)大的材料,負透鏡應(yīng)采用折射率高而色散系數(shù)小的材料［2］。從降低成本的角度考慮,均選用使用頻率較高的環(huán)保材料。2光學(xué)設(shè)計

2.1初始結(jié)構(gòu)的選擇 一個完美的設(shè)計通常從初始結(jié)構(gòu)的選型開始,初始結(jié)構(gòu)的選擇好壞,關(guān)系到設(shè)計的成功與否。對于光學(xué)設(shè)計者來說,最好最快的辦法是直接從專利中選取一個適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu),然后優(yōu)化。如果靠設(shè)計者自己去建立一個初始結(jié)構(gòu)是比較困難的,需要多年的設(shè)計經(jīng)驗和豐富的像差理論知識。本設(shè)計的初始結(jié)構(gòu)采用了LensVIEW中一個變焦專利的雛形結(jié)構(gòu)。選擇初始結(jié)構(gòu)的原則是視場和光圈與設(shè)計的要求相當(dāng),焦距通過縮放鏡頭的辦法可以達到要求［3］。

2.2設(shè)計結(jié)果

2.2.1光路圖 利用Zemax光學(xué)設(shè)計軟件對其進行了模擬設(shè)計和優(yōu)化,其優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1廣角端和攝遠端

Fig.1Wide and tele

2.2.2設(shè)計指標(biāo)本設(shè)計系統(tǒng)的指標(biāo)如表1所示。

表1設(shè)計指標(biāo)

Tab.1Design target

名稱芯片尺寸/inch焦距/mmF數(shù)光學(xué)后焦(空氣中)/mm光學(xué)總長/mm相對照度/%像素/pixel結(jié)構(gòu)形式/片指標(biāo)1/33.2～8.01.6～2.1>7<60>50130萬<10

2.2.3詳細參數(shù)本設(shè)計詳細參數(shù)如表2和表3所示。

表2結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.2Structure parameters

序號類型R值/mm厚度/mmNdVd口徑/mm1標(biāo)準面24.4341.21.8042046.5020.532標(biāo)準面8.1790 665.215 64214.423標(biāo)準面-30.878 3770.842 5241.7170047.9814.374標(biāo)準面11.694 3761.612 37613.235標(biāo)準面14.883 9852.995 3751.846 6623.7813.876標(biāo)準面-82.587 3061.547 0641.804 2046.5013.647標(biāo)準面50.096 883可變 D113.10光圈位置標(biāo)準面∞8.48光闌標(biāo)準面∞0.18.4810標(biāo)準面20.200 6661.667 2111.749 5035.048.6111標(biāo)準面-42.635 630.095 9338.5512標(biāo)準面9.541 2873.613 5251.516 8064.208.3813標(biāo)準面-13.241 1184.703 2571.846 6623.787.6314標(biāo)準面8.996 4580.733 4056.5815標(biāo)準面22.607 0871.723 0711.804 2046.506.7016標(biāo)準面-34.084 8940.097 9526.9017標(biāo)準面22.607 0871.723 0711.804 2046.506.7518標(biāo)準面-34.084 894可變 D26.6019標(biāo)準面∞2.51.516 8064.206.4520標(biāo)準面∞2.36.3821標(biāo)準面∞6.33

表3變焦參數(shù)

Tab.3Zoom parameters

焦距/mmF數(shù)全視場角可變D1/mm可變D2/mm廣角端3.21.6120°21.362.70攝遠端7.982.145°3.499.46

3結(jié)果分析

3.1光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)是對鏡頭分辨率的直接評價。頻率主要由CMOS的最小像元大小決定,選擇的CMOS最小像元R=3.75 μm,因此由公式f=1/2R可以算出頻率為135 lp/mm,即鏡頭的分辨率要達到135 lp/mm。對于CCTV鏡頭,一般要求0.8視場以內(nèi)能分辨清楚就可以了,軸外視場的分辨率允許一定程度的下降。如圖2所示為短焦MTF曲線,可以看到,在頻率135 lp／mm時,0.8視場以內(nèi)的短焦的光學(xué)調(diào)制傳函大于0.3,軸外視場略有下降,但總體可以滿足要求。如圖3所示為長焦MTF曲線,可以看到,全視場MTF大于0.3,在0.8視場以內(nèi)的MTF大于0.4,長焦的解像力表現(xiàn)完全沒有問題。

3.2像面相對照度 對于CCTV鏡頭,相對照度越大越好,但是隨著視場的增大,相對照度會不斷降低,一般認為相對照度大于50％即可。如果照度太低,邊緣視場的光線會較暗,畫面容易形成暗角,人眼很容易察覺,從而影響圖片的整體一致性。如圖4所示為像面相對照度圖,可以看出相對照度大于60％,完全滿足要求［4］。

3.3離焦MTF為了方便鏡頭調(diào)焦,離焦MTF必須有一定的要求。一般鏡頭只有調(diào)焦調(diào)到最佳像面時才會表現(xiàn)良好。如果調(diào)焦調(diào)過了或者沒調(diào)到位,鏡頭的表現(xiàn)會很不好。只有設(shè)計時離焦MTF也很好的時候,鏡頭才會更容易調(diào)到像質(zhì)良好的位置。從圖5所示的離焦MTF圖可以看出,離焦0.015 mm時,MTF在135 lp/mm處大于0.2,符合要求。

圖2短焦MTF

Fig.2MTF of wide圖3長焦MTF

Fig.3MTF of tele

圖4相對照度圖

Fig.4Relative illumination圖5離焦MTF

Fig.5Through focus MTF

3.4溫度分析CCTV鏡頭通常要應(yīng)用在不同的環(huán)境中,環(huán)境溫度變化很大。由于溫度對鏡片材料的性能影響很大,所以在設(shè)計過程中必須考慮溫度對光學(xué)系統(tǒng)性能的影響。本鏡頭設(shè)計考慮的溫度范圍是-20～60 ℃。CCTV鏡頭的使用環(huán)境溫度基本不會超出這個范圍。圖6和圖7分別是在-20 ℃時短焦和長焦的MTF曲線。圖8和圖9分別是在60 ℃時短焦和長焦的MTF曲線。從圖中可以看出鏡頭在-20 ℃時解像力比60 ℃時好,但是即使在60 ℃時MTF也是合格的。因此,所設(shè)計系統(tǒng)不受溫差影響。

圖6-20 ℃短焦的MTF

Fig.6MTF of wide at -20 ℃圖7-20 ℃長焦的MTF

Fig.7MTF of tele at -20 ℃圖860 ℃短焦的MTF

Fig.8MTF of wide at 60 ℃圖960 ℃長焦的MTF

Fig.9MTF of tele at 60 ℃

3.5公差分析評價一個設(shè)計的好壞,除了看設(shè)計的像質(zhì)和其它指標(biāo)是否達到要求外,還有一個最為重要的因素是公差,公差的松和緊決定了產(chǎn)品最終能否裝調(diào)成功。公差松的結(jié)構(gòu)裝調(diào)容易,而公差緊的結(jié)構(gòu)通常是超出了當(dāng)前的工藝加工能力,難以裝調(diào)成功,即使偶爾能夠裝出幾個良品鏡頭,最終也難以批量生產(chǎn)。對本設(shè)計進行公差分析表明,公差都在常規(guī)可加工的公差范圍內(nèi),工藝性良好。4結(jié)論本文介紹了二組元變焦系統(tǒng)的設(shè)計方法,設(shè)計出了一種可以用于監(jiān)控系統(tǒng)的變焦光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)像質(zhì)好,總長小于60 mm,光圈1.6,公差也相對較松,加工難度低,價格適中,適合中高檔監(jiān)控系統(tǒng)使用。參考文獻：

［1］王之江.實用光學(xué)技術(shù)手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2006:213219.

［2］袁旭倉.光學(xué)設(shè)計［M］.北京:科學(xué)出版社,1988:111135.

［3］金逢溪,金虎杰.變焦鏡頭結(jié)構(gòu)形式的最佳選擇方法［J］.光學(xué)儀器,2004,26(1):3438.

［4］徐昌杰,權(quán)貴秦.應(yīng)用光學(xué)［M］.西安:陜西人民出版社,2002:97106.

表3變焦參數(shù)

Tab.3Zoom parameters

焦距/mmF數(shù)全視場角可變D1/mm可變D2/mm廣角端3.21.6120°21.362.70攝遠端7.982.145°3.499.46

3結(jié)果分析

3.1光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)是對鏡頭分辨率的直接評價。頻率主要由CMOS的最小像元大小決定,選擇的CMOS最小像元R=3.75 μm,因此由公式f=1/2R可以算出頻率為135 lp/mm,即鏡頭的分辨率要達到135 lp/mm。對于CCTV鏡頭,一般要求0.8視場以內(nèi)能分辨清楚就可以了,軸外視場的分辨率允許一定程度的下降。如圖2所示為短焦MTF曲線,可以看到,在頻率135 lp／mm時,0.8視場以內(nèi)的短焦的光學(xué)調(diào)制傳函大于0.3,軸外視場略有下降,但總體可以滿足要求。如圖3所示為長焦MTF曲線,可以看到,全視場MTF大于0.3,在0.8視場以內(nèi)的MTF大于0.4,長焦的解像力表現(xiàn)完全沒有問題。

3.2像面相對照度 對于CCTV鏡頭,相對照度越大越好,但是隨著視場的增大,相對照度會不斷降低,一般認為相對照度大于50％即可。如果照度太低,邊緣視場的光線會較暗,畫面容易形成暗角,人眼很容易察覺,從而影響圖片的整體一致性。如圖4所示為像面相對照度圖,可以看出相對照度大于60％,完全滿足要求［4］。

3.3離焦MTF為了方便鏡頭調(diào)焦,離焦MTF必須有一定的要求。一般鏡頭只有調(diào)焦調(diào)到最佳像面時才會表現(xiàn)良好。如果調(diào)焦調(diào)過了或者沒調(diào)到位,鏡頭的表現(xiàn)會很不好。只有設(shè)計時離焦MTF也很好的時候,鏡頭才會更容易調(diào)到像質(zhì)良好的位置。從圖5所示的離焦MTF圖可以看出,離焦0.015 mm時,MTF在135 lp/mm處大于0.2,符合要求。

圖2短焦MTF

Fig.2MTF of wide圖3長焦MTF

Fig.3MTF of tele

圖4相對照度圖

Fig.4Relative illumination圖5離焦MTF

Fig.5Through focus MTF

3.4溫度分析CCTV鏡頭通常要應(yīng)用在不同的環(huán)境中,環(huán)境溫度變化很大。由于溫度對鏡片材料的性能影響很大,所以在設(shè)計過程中必須考慮溫度對光學(xué)系統(tǒng)性能的影響。本鏡頭設(shè)計考慮的溫度范圍是-20～60 ℃。CCTV鏡頭的使用環(huán)境溫度基本不會超出這個范圍。圖6和圖7分別是在-20 ℃時短焦和長焦的MTF曲線。圖8和圖9分別是在60 ℃時短焦和長焦的MTF曲線。從圖中可以看出鏡頭在-20 ℃時解像力比60 ℃時好,但是即使在60 ℃時MTF也是合格的。因此,所設(shè)計系統(tǒng)不受溫差影響。

圖6-20 ℃短焦的MTF

Fig.6MTF of wide at -20 ℃圖7-20 ℃長焦的MTF

Fig.7MTF of tele at -20 ℃圖860 ℃短焦的MTF

Fig.8MTF of wide at 60 ℃圖960 ℃長焦的MTF

Fig.9MTF of tele at 60 ℃

3.5公差分析評價一個設(shè)計的好壞,除了看設(shè)計的像質(zhì)和其它指標(biāo)是否達到要求外,還有一個最為重要的因素是公差,公差的松和緊決定了產(chǎn)品最終能否裝調(diào)成功。公差松的結(jié)構(gòu)裝調(diào)容易,而公差緊的結(jié)構(gòu)通常是超出了當(dāng)前的工藝加工能力,難以裝調(diào)成功,即使偶爾能夠裝出幾個良品鏡頭,最終也難以批量生產(chǎn)。對本設(shè)計進行公差分析表明,公差都在常規(guī)可加工的公差范圍內(nèi),工藝性良好。4結(jié)論本文介紹了二組元變焦系統(tǒng)的設(shè)計方法,設(shè)計出了一種可以用于監(jiān)控系統(tǒng)的變焦光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)像質(zhì)好,總長小于60 mm,光圈1.6,公差也相對較松,加工難度低,價格適中,適合中高檔監(jiān)控系統(tǒng)使用。參考文獻：

［1］王之江.實用光學(xué)技術(shù)手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2006:213219.

［2］袁旭倉.光學(xué)設(shè)計［M］.北京:科學(xué)出版社,1988:111135.

［3］金逢溪,金虎杰.變焦鏡頭結(jié)構(gòu)形式的最佳選擇方法［J］.光學(xué)儀器,2004,26(1):3438.

［4］徐昌杰,權(quán)貴秦.應(yīng)用光學(xué)［M］.西安:陜西人民出版社,2002:97106.

表3變焦參數(shù)

Tab.3Zoom parameters

焦距/mmF數(shù)全視場角可變D1/mm可變D2/mm廣角端3.21.6120°21.362.70攝遠端7.982.145°3.499.46

3結(jié)果分析

3.1光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)是對鏡頭分辨率的直接評價。頻率主要由CMOS的最小像元大小決定,選擇的CMOS最小像元R=3.75 μm,因此由公式f=1/2R可以算出頻率為135 lp/mm,即鏡頭的分辨率要達到135 lp/mm。對于CCTV鏡頭,一般要求0.8視場以內(nèi)能分辨清楚就可以了,軸外視場的分辨率允許一定程度的下降。如圖2所示為短焦MTF曲線,可以看到,在頻率135 lp／mm時,0.8視場以內(nèi)的短焦的光學(xué)調(diào)制傳函大于0.3,軸外視場略有下降,但總體可以滿足要求。如圖3所示為長焦MTF曲線,可以看到,全視場MTF大于0.3,在0.8視場以內(nèi)的MTF大于0.4,長焦的解像力表現(xiàn)完全沒有問題。

3.2像面相對照度 對于CCTV鏡頭,相對照度越大越好,但是隨著視場的增大,相對照度會不斷降低,一般認為相對照度大于50％即可。如果照度太低,邊緣視場的光線會較暗,畫面容易形成暗角,人眼很容易察覺,從而影響圖片的整體一致性。如圖4所示為像面相對照度圖,可以看出相對照度大于60％,完全滿足要求［4］。

3.3離焦MTF為了方便鏡頭調(diào)焦,離焦MTF必須有一定的要求。一般鏡頭只有調(diào)焦調(diào)到最佳像面時才會表現(xiàn)良好。如果調(diào)焦調(diào)過了或者沒調(diào)到位,鏡頭的表現(xiàn)會很不好。只有設(shè)計時離焦MTF也很好的時候,鏡頭才會更容易調(diào)到像質(zhì)良好的位置。從圖5所示的離焦MTF圖可以看出,離焦0.015 mm時,MTF在135 lp/mm處大于0.2,符合要求。

圖2短焦MTF

Fig.2MTF of wide圖3長焦MTF

Fig.3MTF of tele

圖4相對照度圖

Fig.4Relative illumination圖5離焦MTF

Fig.5Through focus MTF

3.4溫度分析CCTV鏡頭通常要應(yīng)用在不同的環(huán)境中,環(huán)境溫度變化很大。由于溫度對鏡片材料的性能影響很大,所以在設(shè)計過程中必須考慮溫度對光學(xué)系統(tǒng)性能的影響。本鏡頭設(shè)計考慮的溫度范圍是-20～60 ℃。CCTV鏡頭的使用環(huán)境溫度基本不會超出這個范圍。圖6和圖7分別是在-20 ℃時短焦和長焦的MTF曲線。圖8和圖9分別是在60 ℃時短焦和長焦的MTF曲線。從圖中可以看出鏡頭在-20 ℃時解像力比60 ℃時好,但是即使在60 ℃時MTF也是合格的。因此,所設(shè)計系統(tǒng)不受溫差影響。

圖6-20 ℃短焦的MTF

Fig.6MTF of wide at -20 ℃圖7-20 ℃長焦的MTF

Fig.7MTF of tele at -20 ℃圖860 ℃短焦的MTF

Fig.8MTF of wide at 60 ℃圖960 ℃長焦的MTF

Fig.9MTF of tele at 60 ℃

3.5公差分析評價一個設(shè)計的好壞,除了看設(shè)計的像質(zhì)和其它指標(biāo)是否達到要求外,還有一個最為重要的因素是公差,公差的松和緊決定了產(chǎn)品最終能否裝調(diào)成功。公差松的結(jié)構(gòu)裝調(diào)容易,而公差緊的結(jié)構(gòu)通常是超出了當(dāng)前的工藝加工能力,難以裝調(diào)成功,即使偶爾能夠裝出幾個良品鏡頭,最終也難以批量生產(chǎn)。對本設(shè)計進行公差分析表明,公差都在常規(guī)可加工的公差范圍內(nèi),工藝性良好。4結(jié)論本文介紹了二組元變焦系統(tǒng)的設(shè)計方法,設(shè)計出了一種可以用于監(jiān)控系統(tǒng)的變焦光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)像質(zhì)好,總長小于60 mm,光圈1.6,公差也相對較松,加工難度低,價格適中,適合中高檔監(jiān)控系統(tǒng)使用。參考文獻：

［1］王之江.實用光學(xué)技術(shù)手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2006:213219.

［2］袁旭倉.光學(xué)設(shè)計［M］.北京:科學(xué)出版社,1988:111135.

［3］金逢溪,金虎杰.變焦鏡頭結(jié)構(gòu)形式的最佳選擇方法［J］.光學(xué)儀器,2004,26(1):3438.

［4］徐昌杰,權(quán)貴秦.應(yīng)用光學(xué)［M］.西安:陜西人民出版社,2002:97106.