双波段CCTV鱼眼镜头光学系统设计

摘要: 根据CCTV（closed circuit television）镜头的使用需求，以“非相似”成像原理为基础，设计了一款双波段CCTV鱼眼镜头。系统工作波段480 nm～850 nm，可见光和近红外光双波段成像，可实现昼夜监控。镜头F数1.8、视场角1800、焦距1 mm、光学总长7.76 mm，具有大相对孔径、大视场角、小型化等特征。采用7组9片式反远距结构，无特殊玻璃、无非球面，大大降低了系统复杂化程度和加工制造成本。利用光学设计软件Zemax对其进行光学系统设计，选取1/3英寸CCD作为探测器，在奈奎斯特频率120 lp/mm时，其各个视场的子午调制传递函数曲线和弧矢调制传递函数曲线值均达到0.5以上，接近衍射极限，成像质量很好。全视场场曲均小于1 mm，相对畸变小于25%，相对照度在95%左右，满足CCTV镜头的使用要求，可广泛用于监控侦察等领域。

引言

CCTV（closed circuit television）系统是目前最为普遍的一种安防手段，早期在酒店、公司、政府机关、银行等重要场所应用，现在许多智能小区甚至路边角落也随处可见，为保护国家公共财产、维护公民的合法权益免遭侵害和帮助刑侦人员犯罪现场取证发挥着重要作用。

CCTV 镜头是CCTV系统的重要组成部分，由于其监控的特殊用途，要求具有高分辨率、大视场，且结构紧凑、抗干扰能力强，可以在照明环境不佳的情况下使用等特点。目前市场上常见的CCTV镜头视场角多为几十度，要实现大范围监控需要扫描或拼接，成像波段为可见光，夜晚拍摄需加补光灯。针对上述问题，本文设计了一种可见/近红外双波段CCTV鱼眼镜头，在保证系统分辨率和结构小型化的前提下，实现昼夜大范围区域监控。

1.鱼眼镜头设计原理

目前，国内外主要采用旋转/步进扫描技术、多镜头拼接技术和超广角凝视技术实现大视场成像，前2种技术损失了信息获取的实时性，而超广角凝视技术具有全空域包容和全时域实时信息获取功能，鱼眼镜头属于此类。鱼眼镜头的视场能达到或者超出180°，在国防军事、气象监测、安全监视、工程测量以及微小智能系统等领域得到广泛应用，其设计过程中采用“非相似”成像原理进行计算。

1.1 “非相似”成像原理

普通光学系统成像遵循“相似”成像原理，即像与物总是相似的，光学设计中的像差校正也是为了追求物像的相似。其理想像高计算公式为

y′=ftanω （1）

式中：y′为理想像高；f为系统焦距；ω为物方半视场角。

当|ω|⩾90°时，tan90°→∞，故|y′|→∞，上述成像公式便不能采用，即“相似”成像无法实现。因此，鱼眼镜头必须采用与高斯光学原理不同的成像思想，称作“非相似”成像原理，即选择恰当的理想成像公式取代(1)式。本文给出4种投影方法，以及各自计算像高的公式。

1） 等距投影

y′=fω (2)

此种成像方式视场角与像高成正比，可广泛用于军事领域。

2） 等立体角投影

y′=2fsin(ω/2) (3)

此种成像方式需要经过反三角函数运算，会影响精度、降低实时性，一般用于民用，如艺术摄影、风景照相等。

3） 等体视投影

y′=2ftan(ω/2) (4)

此种成像方式可对球面物体成像，其径向和切向放大率相同。

4） 正交投影

y′=fsinω (5)

此种成像方式的径向和切向放大率不同，具有很大的桶形畸变，仅被少量鱼眼镜头采用。

与高斯光学中的理想成像公式(1)相比，以上4种成像方式都能够产生桶形畸变，但畸变大小不同。图1所示即为各种成像公式与理想成像公式畸变量的比较，它们与tanω的差值就是各自所能引入的桶形畸变量大小。

图1. 各种成像公式比较

通过上述分析可知，等距投影成像的像高和视场角为简单的正比关系，目前应用较为普遍，等立体角投影引入的桶形畸变比等距投影略大，正交投影的桶形畸变量最大，等体视成像应用较少，因此本文采用等距投影成像进行设计。

1.2 焦距与角分辨率的关系

根据上述鱼眼镜头的“非相似”成像原理，对其像高公式进行微分，分析焦距与角分辨率的关系。

图3.光学系统结构图

......

3. 结论

本文在“非相似”成像原理的基础上，采用7组9片式反远距结构，设计了一款双波段CCTV鱼眼镜头。系统工作波段480 nm～850 nm，能够对可见/近红外双波段成像，实现昼夜监控，系统F数1.8、视场角180°、焦距1 mm、光学总长7.76 mm，具有大相对孔径、大视场角、小型化等特征，满足CCTV监控镜头的使用要求。

审核编辑：汤梓红