监控镜头设计.doc
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1、本科生毕业设计本科生毕业设计监控镜头设计Design of Surveillance Cameraword文档 可自由复制编辑摘 要随着设计、加工、测试技术水平的提高,光学非球面已逐渐成为应用广泛的元件之一。在光学系统中恰当地使用非球面,能够有效地提高光学系统的成像性能,改善其紧凑性。本论文首先介绍数码镜头的研究意义和研究现状,分析监控镜头的性能指标要求与结构形式选择,以及利用光学非球面校正像差的基本原理。然后,设计完成了一个四片式微小型数码监控镜头,采用光、机性能好的480R光学塑料和双面非球面透镜。所设计的光学系统的相对孔径为1/3,焦距为7.llmm,全视场角为46.4,80lp/mm处
2、的调制传递函数(MTF)值大于0.4,成像质量满足使用要求。关键词:光学设计 监控镜头 非球面ABSTRACTAlong with the technical level of design, processing, testing, aspheric optics has gradually become one of the most popular element. The proper use of aspheric optical system, can effectively improve the imaging performance of optical system, to
3、 improve its compactness.The research significance and the research status of this thesis firstly introduces the digital camera lens, analyzing and monitoring the performance requirements and the choice of structure form, and the basic principle of optical non spherical correcting aberrations. Then,
4、 designed to complete a four chip micro digital surveillance camera, using 480R optical plastics and two-sided light, machine performance of aspheric lens. The relative aperture of the optical system design for the 1/3, the focal length is 7.11mm, the full field of view angle is 46.4 , the modulatio
5、n transfer function (80lp/mm MTF) values greater than 0.4, the imaging quality to meet the use requirements.Keywords:Optical Design Surveillance Camera Aspheric Surface目 录第一章 绪论11.1监控镜头的概述11.2监控镜头的研究意义11.3监控镜头的国内外研究现状2第二章 光学系统的一般设计72.1光学系统的一般设计过程72.1.1外形尺寸计算72.1.2初始结构的计算和选择72.1.3像差的校正和平衡72.2光学系统设计的步
6、骤82.3像质评价82.3.1瑞利判断92.3.2中心点亮度92.3.3分辨率92.3.4点列图102.3.5传递函数10第三章 监控镜头的设计113.1技术指标113.2监控镜头初始结构的选择和分析133.2.1监控物镜常用的像差特点和两种常用基本结构133.2.2初始结构的选择143.3监控镜头的优化设计173.3.1光学系统优化设计的基本原理173.3.2非球面校正像差的原理173.3.3用于光学非球面的几种重要光学塑料183.3.4优化设计过程203.4优化设计结果213.5成像质量评价23结 论25参考文献26致 谢27 word文档 可自由复制编辑第一章 绪论1.1监控镜头的概述
7、监控镜头指监控摄像机的镜头,由于监控摄像机只是一个单一的视频扑捉设备,镜头的像素和分辨率比电脑的视频头要高但是赶不上专业的数码相机或dv。在闭路监控体系中,摄像机又称摄像头或CCD即电荷耦合器件。严格来说,摄像机是摄像头和镜头的总称,摄像头的首要传感部件是CCD,它具有迅速度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点,CCD是电耦合器件(Charge Couple Device)的简称,它可以将光子转变为电荷并可将电荷储存及转移,也可将储存之电荷取出使电压产生变化,是取代摄像管传感器的新型器件。 镜头在摄像机成本构成中的比例为20%左右,是摄像机的重要组成部分。与摄像机从高端到低
8、端完整的产品链相对应,CCTV镜头也形成了从高档到中档到低档的完整的产品链,价格从几十元到几百元,几百元到几千元,一应俱全。利润水平也相差很大,常用的单板机镜头,利润已很低;技术含量越高,功能越先进的镜头,利润也就越大。表1-1摄像机镜头的分类按外形功能分球面镜头非球面镜头针孔镜头鱼眼镜头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标准镜头广角镜头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
9、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
10、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6,297,91 SB 1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
11、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,
12、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.
13、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2.2090451.027322E48R-1.1031612非球面-3.334110.023.3496393非球面-13.769510.5190306Polycarb204非球面2.2625540.9911211-4.4574455非球面-5.146890.8687928E48R106非球面-0.99394660.129038-5.2032167非球面3.6619120.4076486E48R-3.4251768非球面0.8611870.4765397-5.1118399标准面无穷大0.3K9010标准面无
14、穷大0.10表1-3各非球面多项式系数表面编号A4A6A8A10A1210.010782992-0.00724022620.0061320638-0.0064236926020.06505914-1.00769760.081576584-0.0248856103-0.0071433127-0.643997570.066763828-0.01797688804-0.00606817040.018823223-0.0054395450.0031827313050.0208449-0.019114250.0069559548-0.000535397506-0.0755371790.049519187
15、-0.0292904730.010489489-0.00138403637-0.0815545530.02030065-0.00197988920.0036167840.0000282798680.0452763080.010247518-0.00194729860.0020926659-0.0001152622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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、,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
21、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
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