监控镜头设计文档格式.docx
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按视场大小分
广角镜头
标准镜头
远景镜头
按光圈分
白动光圈
手动光圈
固定光圈
按变焦类型分
电动变焦
手动变焦
固定焦距
按焦距长距分
长焦距镜头
1.2监控镜头的研究意义
镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，几乎看不到任何物体；
如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的。
当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物就变得模糊不清；
摄像头与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像头的后焦点，改变CCD芯片与镜头基准面的距离（相当于调整人眼晶状体的位置），可以将模糊的图像变得清晰。
镜头是成像系统眼睛，与焦平面一起决定着成像系统性能和适用性。
近年来，随着微电子技术的飞速发展，应用于光学仪器的光电成像器件如CCD工艺的进步，像元尺寸越来越小，一方面使得成像系统的小型化和低成本成为可能，另一方面，要求成像镜头具有更高的分辨率。
1.3监控镜头的国内外研究现状
设计和研制小型化、低成本、高分辨率微型摄像镜头是现今的重要发展方向之一[1]。
从低成本而言，希望采用单块塑料成像透镜来替代多块玻璃成像组合透镜，但是，即使单塑料透镜的两个光学表面都使用光学非球面，也很难有效地校正像差，获得满足要求的成像质量。
单透镜镜头一般用于要求不高的低端成像产品，如图1.1所示是美国专利6，297，91SB1公告的单透镜系统[2]。
图1.1单透镜系统
两片玻璃型结构以反摄远型居多，如图1.2所示，该镜头由一块负光焦度和一块正光焦度弯月型透镜组成，光栏位于两透镜之间，两透镜的光学面都弯向光栏[3]。
这种结构适用于大视场角，另一个重要特点是成像透镜最后一面到像面的距离大，容易放置快门，但使得减小系统整体长度比较困难，限制了系统的小型化。
图1.2双透镜系统
为了同时满足小型化和更高像质的要求，人们提出了许多更复杂的光学镜头，典型的如图1.3所示，包含两片塑料透镜，采用了四个光学非球面[4]。
这种结构能够满足系统小型化和低成本的要求，同时基本可以满足30万像元焦平面的要求。
但是，难以进一步提高其分辨率，适应更高像元数需求。
其主要原因是适用的光学塑料种类少，其折射率和阿贝数的变化范围小，典型的折射率在1.49到1.59之间，阿贝数在30到55之间，难以满足消色差要求。
图1.3两片非球面系统
为了达到要求，近些年设计上衍生了更多的非球面结构类型[5]。
如图1.4和图1.5所示，采用非球面的三片结构，其中最少使用了一个厚弯月透镜，用以校正场曲[6]。
三片式加大了材料选择的自由度，另外也增加了非球面的数量，这些使得色差和单色像差可以得到较好地校正。
这些设计主要针对较高像质要求（如30万像素左右）的微型摄像系统，但由于系统大量采用两面非球面玻璃镜片，加工成本难以得到控制。
而且F数只能达到3.0和2.8。
造成在暗场环境下使用有一定的局限性。
图1.4三片式系统
图1.5三片式系统
2009年，安徽合肥芯硕半导体（中国）有限公司设计了一款微型摄像镜头[7]，如图1.6所示，该系统使用四片非球面塑料透镜，共采用八个非球面，视场为65°
，光学总长5.8mm，畸变小于2%，光圈2.8，像面主光线角度小于25°
，镜头数据如表1-2和表1-3所列。
图1.6光学系统结构图
表1-2结构数据
表面编号
类型
曲率半径/mm
厚度/mm
材料
K系数
光阑
非球面
2.209045
1.027322
E48R
-1.103161
2
-3.33411
0.02
3.349639
3
-13.76951
0.5190306
Polycarb
20
4
2.262554
0.9911211
-4.457445
5
-5.14689
0.8687928
10
6
-0.9939466
0.129038
-5.203216
7
3.661912
0.4076486
-3.425176
8
0.861187
0.4765397
-5.111839
9
标准面
无穷大
0.3
K9
0.1
表1-3各非球面多项式系数
A4
A6
A8
A10
A12
1
0.010782992
-0.0072402262
0.0061320638
-0.0064236926
0.06505914
-1.0076976
0.081576584
-0.02488561
-0.0071433127
-0.64399757
0.066763828
-0.017976888
-0.0060681704
0.018823223
-0.005439545
0.0031827313
0.0208449
-0.01911425
0.0069559548
-0.0005353975
-0.075537179
0.049519187
-0.029290473
0.010489489
-0.0013840363
-0.081554553
0.02030065
-0.0019798892
0.003616784
0.00002827986
0.045276308
0.010247518
-0.0019472986
0.0020926659
-0.0001152622
该系统使用四片非球面透镜，能够有效地扩大视场和提高成像质量，甚至能达到500万像。
但是大量采用双非球面的塑料镜片，使用环境适用性和光学稳定性将要降低，而且其相对孔径（F数为2.8）仍在夜间监控摄像时有些局限性，主要是照度的影响。
随着社会安全意识的增强，监控镜头市场正在稳步扩大。
2007年度到2009年度之间，全球市场从1140万部增加到了1500万部。
相较于常用的成像物镜，监控镜头有其自身的特点。
首先，监控市场上对24h连续监控的需求越来越多，由此产生了越来越多的日夜型摄像机。
这种摄像机如果采用普通镜头，其白天的图像调节清晰，晚上的图像就变得模糊[8]。
其原因是由于在夜间摄像系统的探测器照度过低引起的。
根据照度关系
（1.1）
式中
和
分别为大气和物镜的透过率，
为目标照度，
为目标反射。
可知，像面照度与相对孔径的平方成正比。
此外，根据物镜的理论分辨率的近似变形公式
（
为中间像，
为工作波长，D为相对孔径），分辨率主要由相对孔径决定。
相对孔径越大，物镜的分辨率越高。
所以相对孔径对监控镜头是一个决定性因素。
由于采用非球面，能够设计出相对更大的有效通光口径系统，就能让更多的光线投射到CCO感光面上，也相应于增加了灵敏度。
结合微型光电成像器件，可以有效减小整个系统的尺寸，这样也满足了现代光学系统向着轻小型化方向发展的趋势，使整个系统变得易于安装调试的同时，外形也更加美观。
第二章光学系统的一般设计
2.1光学系统的一般设计过程
2.1.1外形尺寸计算
在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。
因此，常把这个阶段称为外形尺寸计算。
一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。
在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在结构上无法实现。
每项性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。
2.1.2初始结构的计算和选择
初始结构的确定常用以下两种方法：
1、根据初级像差理论求解初始结构，这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级像差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。
2、从已有的资料中选择初始结构，这是一种比较实用又容易获得成功的方法。
因此它被很多光学设计者广泛采用。
但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计经验，只有这样才能从类型繁多的结构中挑选出简单而又合乎要求的初始结构。
初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后的设计是否成功。
一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功。
2.1.3像差的校正和平衡
初始结构选好后，要在计算机上用光学计算程序进行光路计算，算出全部像差及各种像差曲线。
从像差数据分析就可以找出主要是哪些像差影响光学系统的成象质量，从而找出改进的办法，开始进行像差校正。
像差分析及平衡是一个反复进行的过程，直到满足成象质量要求，光学系统的成象质量与像差的大小有关，光学设计的目的就是要对光学系统的像差给予校正。
但是任何光学系统都不可能也没有必要把所有像差都校正到零，必然有剩余像差的存在，剩余像差大小不同，成象质量也就不同。
因此光学设计者必须对各种光学系统的剩余像差的允许值和像差公差有所了解，以便根据剩余像差的大小判断光学系统的成象质量。
2.2光学系统设计的步骤
光学设计的一般过程大体上可以分为六个步骤。
第一步根据仪器总体性能设计要求，确定光学系统的结构参数，即确定镜头的焦距（
）要多长，视场范围（角视场
或线视场
）要多广，相对孔径
或数值孔径（
）要多大，同时应该确定镜头的成像质量要求。
第二步根椐这些具体的结构参数利用PW方法求解初始结构参数或根据已有光学设计手册中的相关数据选择能够达到设计要求的镜头结构型式。
例如要设计镜头的焦距
为50mm，相对孔径
为1/3.5，全视场2
为500的照相物镜一般选择“三片（柯克）”型式或“天塞”型式。
如果相对孔径
为1/2，其他要求类似，则一般选用“双高斯”型式。
之所以这样选择是根椐广大光学设计人员的经验和实践知道，从这些结构型式出发容易取得好的设计结果。
设计的第三步是进行像差校正，即通过改变镜头诸面的面形参数（球面透镜的曲率半径，非球面透镜的诸非球面系数），改变透镜的厚度及透镜之间的间隔，更换透镜材料来使得镜头的像差逐步减小，当把镜头的像差校正到一定程度后，转入第四步。
第四步像质评价。
进入第四步后，按照仪器总体性能指标要求的成像质量对镜头的像差值和像差状况进行评价，评价后如果没有达到要求，则仍转回第三步，分析原因，决定采取的步骤和措施，继续进行像差校正，直至镜头的成像质量符合要求。
对于一些常见的常规镜头，有许多现成的成像质量好的结果可作为参照，容易作到正确的选型；
如果是针对新型的光学系统，类似的物镜结构型式较少，则要在选型上花一番功夫。
选型不当，则在第三步和第四步之间虽经多次校正，像质仍达不到要求，此时要转入第二步，寻找新的结构型式。
第五步是计算，分配，制定镜头诸元件、组件的加工公差和装配公差。
光学设计的第六步是绘制光学系统图，光学组件和零件图并作规范的各项标注[9]。
2.3像质评价
实际光学系统的成像是不完善的，光线经光学系统各表面传输会形成多种像差，使成像产生模糊、变形等缺陷。
像差就是光学系统成像不完善程度的描述。
光学系统设计的一项重要工作就是要校正这些像差，使成像质量达到技术要求。
从开始设计到投入使用，至少有两个阶段需要对光学系统的成像质量进行客观而全面的评价。
第一阶段，是指设计完成后，投入加工前，需要通过大量的计算对系统的成像情况进行仿真模拟；
第二阶段，是指样品加工装配后，投人大批量生产之前，需要通过严格的实验来检测其实际成像效果。
本章主要讨论设计过程中的像质评价方法，当然，由于许多方法其物理意义非常明确，也可以很方便地应用到实验检测中。
设计任何光学系统时都必须考虑其像差的校正。
但是，任何光学系统必然还残存有剩余像差，且剩余像差的大小直接与系统所要求的成像质量好坏有关。
因此，有必要讨论各种光学系统所允许存在的剩余像差值及像差公差的范围。
2.3.1瑞利判断
瑞利判断是根据成像波面相对理想球面波的变形程度来判断光学系统的成像质量的。
瑞利认为“实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过1/4
时，此波面可看作是无缺陷的”，此判断称之为端利判断。
该判断提出了光学系统成像时所允许存在的最大波像差公差，即认为波像差W
时，光学系统的成像质量是良好的。
瑞利判断的优点是便于实际应用，因为波像差与几何像差之间的计算关系比较简单，只要利用几何光学中的光路计算得出几何像差曲线，由曲线图形积分便可方便地得到波像差，由所得到的波像差即可判断光学系统的成像质量优劣。
反之，由波像差和几何像差之间的关系，利用瑞利判断也可以得到几何像差的公差范围，这对实际光学系统的讨论更为有利。
瑞利判断是一种较为严格的像质评价方法，它主要适用于小像差光学系统，例如望远物镜、显微物镜、微缩物镜和制版物镜等对成像质量要求较高的系统。
2.3.2中心点亮度
瑞利判断是根据成像波面的变形程度来判断成像质量的，而中心点亮度则是依据光学系统存在像差时，其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比来表示光学系统的成像质量的，此比值用来表示，当S.D≥0.8时，认为光学系统的成像质量是完善的，这就是有名的斯托列尔（K.Streh1）准则。
瑞利判断和中心点亮度是从不同角度提出来的像质评价方法，但研究表明，对一些常用的像差形式，当最大波像差为1/4λ时，其中心点亮度S.D约等于0.8，这说明上述二种评价成像质量的方法是一致的。
斯托列尔准则同样是一种高质量的像质评价标准，它也只适用于小像差光学系统。
但由于其计算相当复杂，在实际中不便应用。
2.3.3分辨率
分辨率是反映光学系统能分辨物体细节的能力，它是光学系统一个很重要的性能，因此也可以用分辨率来作为光学系统的成像质量评价方法。
瑞利指出“能分辨的二个等亮度点间的距离对应艾里斑的半径”，即一个亮点的衍射图案中心与另一个亮点的衍射图案的第一暗环重合时，这二个亮点则能被分辨。
这时在二个衍射图案光强分布的迭加曲线中有二个极大值和一个极小值，其极大值与极小值之比为1：
0.735，这与光能接收器（如眼睛或照相底板）能分辨的亮度差别相当。
若二亮点更靠近时，则光能接收器就不能再分辨出它们是分离开的二点了。
根据衍射理论，无限远物体被理想光学系统形成的衍射图案中，第一暗环半径对出射光瞳中心的张角为：
/D（2.1）
为光学系统的最小分辨角，D为出瞳直径。
对
的单色光，以（″）来表示最小分辨角时，有
=140″/D（2.2）
是计算光学系统理论分辨率的基本公式，对不同类型的光学系统可推导出不同的表达形式。
分辨率作为光学系统成像质量的评价方法并不是一种完善的方法，这是因为光学系统的分辨率与其像差大小直接有关，即像差可降低光学系统的分辨率。
但由于其指标单一，且便于测量，在光学系统的像质检测中得到了广泛应用[10]。
2.3.4点列图
在几何光学的成像过程中，某物点发出的许多条光线经光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面的交点不再集中于同一点，而是形成一个分布在一定范围的弥散图形，称为点列图。
点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。
2.3.5传递函数
光学传递函数评价光学系统的成像质量，是基于把物体看做是由各种频率的谱组成的，也就是把物体的光场分布函数展开成傅立叶级数或傅立叶积分的形式。
若把光学系统看成是线性不变的系统，那么物体经过光学系统成像，可视为物体经过光学系统传递后，其传递效率不变，但对比度下降，相位发生推移，并在某一频率截止，即对比度为零。
这种对比度的降低和相位推移是随频率不同而不同的，其函数关系我们称之为光学传递函数。
光学传递函数是反应物体不同频率成分的传递能力的。
一般来说，高频部分反映物体的细节传递情况，中频部分反映物体的层次传递情况，低频部分反映物体的轮廓传递情况。
调制传递函数MTF：
表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后，其对比度（即振幅）的衰减程度。
当某一频率的对比度下降到零时，说明该频率的光强分布已无亮度变化，即该频率被截止。
调制传递函数既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，是光学传递函数的模。
第三章监控镜头的设计
3.1技术指标
视场：
工作波段：
可见光
后工作距离：
大于2.5mm
接收器：
1/3inchCCD
（1）视场角
一个镜头能涵盖多大范围景物，通常用角度表示。
这个角度叫做镜头的视场角。
本系统要求的视场角
为
，属于标准的视场镜头[11]。
（2）焦距
焦距是光学系统里面的重要参数，由
，（其中
是系统焦距，
是半视场角，
为半视场高）可知镜头焦距与视场角成反比[12]，所以系统的焦距应该符合系统的市场要求。
该光学系统的像接收器为日本HITACHI公司的1/3inchCCD，型号为KP-D20A。
其具体性能指标如下：
表3-1性能指标
有效像素（PAL制式下）
752
582
CCD尺寸
4.98mm
3.64mm
像元尺寸
2.25um
6.25um
则该系统的焦距由CCD的大小所限制，满足：
（3.1）
其中
是CCD的对角线长度，约为6.096mm。
则根据（3.1）式，可得系统焦距为7.llmm。
当采用CCD像元的最小尺寸为6.25um
时，系统的物方分辨率为1.76mrad。
（3）相对孔径
镜头的相对孔径决定着系统的相对通光量，由式（3.1）可知像点的光照度和相对孔径的公式的平方成正比，当夜间目标物体的照度E0降低时，为了保证一定光照度，则必须增大相对孔径。
此外恶劣天气下，大气透射率
也会降低，基于以上考虑，对于监控镜头，根据普遍经验，考虑到弱光条件下的监控果，相对孔径一般要取1/3，即F数为3。
（4）波长范围
可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，通过监控镜头捕捉到的图像最终会被人眼接受，所以选取可见光波长400nm~750nm的波长范围。
普通照相系统的中心波长为d光，最短波长为F光，最长波长为C光。
在优化时一般用d光校正单色像差，在F光到C光范围内消色差，或者根据探测器的光谱灵敏度确定。
在软件中，采用了436nm、589nm和656nm三个波长进行分析和设计。
（5）MTF（调制传递函数）
通常我们把MTF称作光学传递函数，实际上MTF是光学传递函数OTF的实部，称作调制传递函数，它既不是只反映单项像差也不是只反映弧矢或子午像差，而是全面反映了一个光学系统的成像质量。
当我们把几何像差校正到一定程度之后，计算它的光学传递函数，根据光学传递函数确定系统是否满足使用要求。
如果不满足则重新修正，把像差校正的更好，再计算光学传递函数，直到满足要求。
目前最常用的方法是给出若干视场的子午和弧矢传函MTFt和MTFs二曲线。
MTF的计算涉及到物方和像方的调制度，定义如下：
物的调制度：
（3.2）
像的调制度：
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