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- 2023-06-12 发布于北京
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1000万像素全景监控镜头的光学设计作者:王波来源:《光学仪器》2016年第05期
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]設计了一种大视场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-···试读结束
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