摘要: 根據(jù)CCTV（closed circuit television）鏡頭的使用需求，以“非相似”成像原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一款雙波段CCTV魚眼鏡頭。系統(tǒng)工作波段480 nm～850 nm，可見光和近紅外光雙波段成像，可實(shí)現(xiàn)晝夜監(jiān)控。鏡頭F數(shù)1.8、視場(chǎng)角1800、焦距1 mm、光學(xué)總長(zhǎng)7.76 mm，具有大相對(duì)孔徑、大視場(chǎng)角、小型化等特征。采用7組9片式反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)，無特殊玻璃、無非球面，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜化程度和加工制造成本。利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax對(duì)其進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選取1/3英寸CCD作為探測(cè)器，在奈奎斯特頻率120 lp/mm時(shí)，其各個(gè)視場(chǎng)的子午調(diào)制傳遞函數(shù)曲線和弧矢調(diào)制傳遞函數(shù)曲線值均達(dá)到0.5以上，接近衍射極限，成像質(zhì)量很好。全視場(chǎng)場(chǎng)曲均小于1 mm，相對(duì)畸變小于25%，相對(duì)照度在95%左右，滿足CCTV鏡頭的使用要求，可廣泛用于監(jiān)控偵察等領(lǐng)域。

引言

CCTV（closed circuit television）系統(tǒng)是目前最為普遍的一種安防手段，早期在酒店、公司、政府機(jī)關(guān)、銀行等重要場(chǎng)所應(yīng)用，現(xiàn)在許多智能小區(qū)甚至路邊角落也隨處可見，為保護(hù)國家公共財(cái)產(chǎn)、維護(hù)公民的合法權(quán)益免遭侵害和幫助刑偵人員犯罪現(xiàn)場(chǎng)取證發(fā)揮著重要作用。

CCTV 鏡頭是CCTV系統(tǒng)的重要組成部分，由于其監(jiān)控的特殊用途，要求具有高分辨率、大視場(chǎng)，且結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)，可以在照明環(huán)境不佳的情況下使用等特點(diǎn)。目前市場(chǎng)上常見的CCTV鏡頭視場(chǎng)角多為幾十度，要實(shí)現(xiàn)大范圍監(jiān)控需要掃描或拼接，成像波段為可見光，夜晚拍攝需加補(bǔ)光燈。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種可見/近紅外雙波段CCTV魚眼鏡頭，在保證系統(tǒng)分辨率和結(jié)構(gòu)小型化的前提下，實(shí)現(xiàn)晝夜大范圍區(qū)域監(jiān)控。

1.魚眼鏡頭設(shè)計(jì)原理

目前，國內(nèi)外主要采用旋轉(zhuǎn)/步進(jìn)掃描技術(shù)、多鏡頭拼接技術(shù)和超廣角凝視技術(shù)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)成像，前2種技術(shù)損失了信息獲取的實(shí)時(shí)性，而超廣角凝視技術(shù)具有全空域包容和全時(shí)域?qū)崟r(shí)信息獲取功能，魚眼鏡頭屬于此類。魚眼鏡頭的視場(chǎng)能達(dá)到或者超出180°，在國防軍事、氣象監(jiān)測(cè)、安全監(jiān)視、工程測(cè)量以及微小智能系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其設(shè)計(jì)過程中采用“非相似”成像原理進(jìn)行計(jì)算。

1.1 “非相似”成像原理

普通光學(xué)系統(tǒng)成像遵循“相似”成像原理，即像與物總是相似的，光學(xué)設(shè)計(jì)中的像差校正也是為了追求物像的相似。其理想像高計(jì)算公式為

y′=ftanω （1）

式中：y′為理想像高；f為系統(tǒng)焦距；ω為物方半視場(chǎng)角。

當(dāng)|ω|?90°時(shí)，tan90°→∞，故|y′|→∞，上述成像公式便不能采用，即“相似”成像無法實(shí)現(xiàn)。因此，魚眼鏡頭必須采用與高斯光學(xué)原理不同的成像思想，稱作“非相似”成像原理，即選擇恰當(dāng)?shù)睦硐氤上窆饺〈?1)式。本文給出4種投影方法，以及各自計(jì)算像高的公式。

1） 等距投影

y′=fω (2)

此種成像方式視場(chǎng)角與像高成正比，可廣泛用于軍事領(lǐng)域。

2） 等立體角投影

y′=2fsin(ω/2) (3)

此種成像方式需要經(jīng)過反三角函數(shù)運(yùn)算，會(huì)影響精度、降低實(shí)時(shí)性，一般用于民用，如藝術(shù)攝影、風(fēng)景照相等。

3） 等體視投影

y′=2ftan(ω/2) (4)

此種成像方式可對(duì)球面物體成像，其徑向和切向放大率相同。

4） 正交投影

y′=fsinω (5)

此種成像方式的徑向和切向放大率不同，具有很大的桶形畸變，僅被少量魚眼鏡頭采用。

與高斯光學(xué)中的理想成像公式(1)相比，以上4種成像方式都能夠產(chǎn)生桶形畸變，但畸變大小不同。圖1所示即為各種成像公式與理想成像公式畸變量的比較，它們與tanω的差值就是各自所能引入的桶形畸變量大小。

圖1. 各種成像公式比較

通過上述分析可知，等距投影成像的像高和視場(chǎng)角為簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，目前應(yīng)用較為普遍，等立體角投影引入的桶形畸變比等距投影略大，正交投影的桶形畸變量最大，等體視成像應(yīng)用較少，因此本文采用等距投影成像進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 焦距與角分辨率的關(guān)系

根據(jù)上述魚眼鏡頭的“非相似”成像原理，對(duì)其像高公式進(jìn)行微分，分析焦距與角分辨率的關(guān)系。

圖3.光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

......

3. 結(jié)論

本文在“非相似”成像原理的基礎(chǔ)上，采用7組9片式反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款雙波段CCTV魚眼鏡頭。系統(tǒng)工作波段480 nm～850 nm，能夠?qū)梢?近紅外雙波段成像，實(shí)現(xiàn)晝夜監(jiān)控，系統(tǒng)F數(shù)1.8、視場(chǎng)角180°、焦距1 mm、光學(xué)總長(zhǎng)7.76 mm，具有大相對(duì)孔徑、大視場(chǎng)角、小型化等特征，滿足CCTV監(jiān)控鏡頭的使用要求。

審核編輯：湯梓紅