雙波段CCTV魚眼鏡頭光學系統設計

摘要: 根據CCTV（closed circuit television）鏡頭的使用需求，以“非相似”成像原理為基礎，設計了一款雙波段CCTV魚眼鏡頭。系統工作波段480 nm～850 nm，可見光和近紅外光雙波段成像，可實現晝夜監控。鏡頭F數1.8、視場角1800、焦距1 mm、光學總長7.76 mm，具有大相對孔徑、大視場角、小型化等特征。采用7組9片式反遠距結構，無特殊玻璃、無非球面，大大降低了系統復雜化程度和加工制造成本。利用光學設計軟件Zemax對其進行光學系統設計，選取1/3英寸CCD作為探測器，在奈奎斯特頻率120 lp/mm時，其各個視場的子午調制傳遞函數曲線和弧矢調制傳遞函數曲線值均達到0.5以上，接近衍射極限，成像質量很好。全視場場曲均小于1 mm，相對畸變小于25%，相對照度在95%左右，滿足CCTV鏡頭的使用要求，可廣泛用于監控偵察等領域。

引言

CCTV（closed circuit television）系統是目前最為普遍的一種安防手段，早期在酒店、公司、政府機關、銀行等重要場所應用，現在許多智能小區甚至路邊角落也隨處可見，為保護國家公共財產、維護公民的合法權益免遭侵害和幫助刑偵人員犯罪現場取證發揮著重要作用。

CCTV 鏡頭是CCTV系統的重要組成部分，由于其監控的特殊用途，要求具有高分辨率、大視場，且結構緊湊、抗干擾能力強，可以在照明環境不佳的情況下使用等特點。目前市場上常見的CCTV鏡頭視場角多為幾十度，要實現大范圍監控需要掃描或拼接，成像波段為可見光，夜晚拍攝需加補光燈。針對上述問題，本文設計了一種可見/近紅外雙波段CCTV魚眼鏡頭，在保證系統分辨率和結構小型化的前提下，實現晝夜大范圍區域監控。

1.魚眼鏡頭設計原理

目前，國內外主要采用旋轉/步進掃描技術、多鏡頭拼接技術和超廣角凝視技術實現大視場成像，前2種技術損失了信息獲取的實時性，而超廣角凝視技術具有全空域包容和全時域實時信息獲取功能，魚眼鏡頭屬于此類。魚眼鏡頭的視場能達到或者超出180°，在國防軍事、氣象監測、安全監視、工程測量以及微小智能系統等領域得到廣泛應用，其設計過程中采用“非相似”成像原理進行計算。

1.1 “非相似”成像原理

普通光學系統成像遵循“相似”成像原理，即像與物總是相似的，光學設計中的像差校正也是為了追求物像的相似。其理想像高計算公式為

y′=ftanω （1）

式中：y′為理想像高；f為系統焦距；ω為物方半視場角。

當|ω|?90°時，tan90°→∞，故|y′|→∞，上述成像公式便不能采用，即“相似”成像無法實現。因此，魚眼鏡頭必須采用與高斯光學原理不同的成像思想，稱作“非相似”成像原理，即選擇恰當的理想成像公式取代(1)式。本文給出4種投影方法，以及各自計算像高的公式。

1） 等距投影

y′=fω (2)

此種成像方式視場角與像高成正比，可廣泛用于軍事領域。

2） 等立體角投影

y′=2fsin(ω/2) (3)

此種成像方式需要經過反三角函數運算，會影響精度、降低實時性，一般用于民用，如藝術攝影、風景照相等。

3） 等體視投影

y′=2ftan(ω/2) (4)

此種成像方式可對球面物體成像，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。

與高斯光學中的理想成像公式(1)相比，以上4種成像方式都能夠產生桶形畸變，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角為簡單的正比關系，目前應用較為普遍，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，等體視成像應用較少，因此本文采用等距投影成像進行設計。

1.2 焦距與角分辨率的關系

根據上述魚眼鏡頭的“非相似”成像原理，對其像高公式進行微分，分析焦距與角分辨率的關系。

圖3.光學系統結構圖

......

3. 結論

本文在“非相似”成像原理的基礎上，采用7組9片式反遠距結構，設計了一款雙波段CCTV魚眼鏡頭。系統工作波段480 nm～850 nm，能夠對可見/近紅外雙波段成像，實現晝夜監控，系統F數1.8、視場角180°、焦距1 mm、光學總長7.76 mm，具有大相對孔徑、大視場角、小型化等特征，滿足CCTV監控鏡頭的使用要求。

審核編輯：湯梓紅