全天候全景监控摄像用光学系统设计

王晓檬; 陈宇; 王春艳; 赵义武; 孙昊; 刘欢; 张桐

doi:10.5768/JAO202344.0301003

全天候全景监控摄像用光学系统设计

doi: 10.5768/JAO202344.0301003

王晓檬^1,,
陈宇^1, ,,
王春艳¹,
赵义武¹,
孙昊¹,
刘欢¹,
张桐²

1.
长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022
2.
中国移动通信集团吉林有限公司长春分公司，吉林长春 130022

基金项目: 吉林省自然科学基金（20200201185JC）；吉林省科技发展计划项目（20200401048GX）；长春理工大学青年科学基金（XQNJJ-2018-08）

详细信息

作者简介:
王晓檬（1998—），女，硕士研究生，主要从事光学设计研究。E-mail：936893337@qq.com

通讯作者:
陈宇（1978—），男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事光学设计研究。E-mail：323111501@qq.com

中图分类号: TN202
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出版历程
- 收稿日期: 2022-05-05
- 修回日期: 2022-05-30
- 网络出版日期: 2023-03-04
- 刊出日期: 2023-05-15

Design of optical system for all-weather and panoramic surveillance camera

1.
School of Opto-electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
2.
Changchun Branch, China Mobile Communications Group Jilin Co.,Ltd., Changchun 130022, China

摘要

摘要: 设计了一款能实现全天候清晰成像的全景监控摄像光学系统。采用全景环带结构形式，该结构分为摄像头部单元和中继透镜单元两部分，摄像头部单元完成全视场目标搜索，中继透镜单元将头部单元所成的中间虚像进行二次成像会聚到探测器上。设计时采用多重结构优化方式，实现可见光及近红外双波段成像。该光学系统视场为360°×（40°~100°），焦距为−2.75 mm，F数为3.28。设计结果表明：系统的MTF（modulation transfer function）值在全视场处接近衍射极限，各个视场的弥散斑半径均小于所选CCD像元尺寸，畸变小于2 %，且日夜离焦量小于0.002 mm，该设计结果可满足全天候全景监控需求。
- 全景环带镜头 /
- 宽波段 /
- 大视场 /
- 光学系统设计
Abstract: An optical system for panoramic surveillance cameras that can achieve clear all-weather imaging was designed. A panoramic annular structure was adopted, which was divided into two parts: camera head unit and relay lens unit. The camera head unit completed the full field of view target search, and the relay lens unit performed secondary imaging of the intermediate virtual image formed by the head unit and converged it on the detector. The design adopted multiple structural optimization methods to achieve visible light and near-infrared dual band imaging. The field of view of the optical system is 360°× (40°~100°), the focal length is −2.75 mm, and the F number is 3.28. The design results show that the modulation transfer function (MTF) value is close to the diffraction limit at the full field of view, the diffuse spot radius of each field of view is less than the selected CCD pixel size, the distortion is less than 2%, and the day-night defocus amount is less than 0.002 mm, which can meet the requirements of all-weather and panoramic surveillance.
- panoramic annular lens /
- wide band /
- large field of view /
- optical system design

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图 1 平面圆柱投影原理示意图

Fig. 1 Schematic of principle of flat cylinder perspective

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图 2 全景环带透镜成像光路图

Fig. 2 Imaging optical path of panoramic annular lens

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图 3 头部单元光学结构

Fig. 3 Optical structure diagram of head unit

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图 4 头部单元MTF曲线图

Fig. 4 MTF curves of head unit

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图 5 光学系统结构图

Fig. 5 Structure diagram of optical system

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图 6 系统MTF曲线图

Fig. 6 MTF curves of system

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图 7 系统点列图

Fig. 7 Spot diagram of system

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图 8 系统的场曲和畸变曲线

Fig. 8 Field curvature and distortion curves of system

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表 1 光学系统技术指标

Table 1 Technical indices of optical system

参数	技术指标
工作波段/nm	可见光、近红外（840～860）
视场角/（°）	360×（40～100）
像元尺寸/μm	≤4
焦距/mm	−2.75
F数	3.28
MTF（125 lp/mm）	>0.4
相对照度	>0.9
畸变/%	<2

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表 2 镜头结构参数

Table 2 Parameters of lens configuration

表面	曲率半径/mm	厚度/mm	材料
1	38.195	23.780	H-K9L
2*	−15.661	−22.829	MIRROR
3	−37.555	22.829	MIRROR
STO*	−15.661	1.998	AIR
5	−5.137	1.507	SF14
6	−5.727	0.647	AIR
7	−20.263	1.594	N-BAK2
8	−5.994	1.582	LAF9
9	−12.616	0.599	AIR
10	13.033	1.838	ZF51
11	10.601	1.604	H-ZK50
12	100.438	9.902	AIR
13	13.954	1.199	ZF51
14	7.247	2.639	BASF12
15	−26.687	1.101	AIR
16	−11.640	1.070	N-KZFS8
17	−113.701	9	AIR

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表 3 非球面面型参数

Table 3 Aspheric surface parameters

表面	曲率半径/mm	圆锥系数	四阶项	六阶项	八阶项
2、4	−15.661	0.159 895	5.706 90×10⁻⁶	4.400 18×10⁻⁸	1.038 33×10⁻¹⁰

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表 4 公差分析项目和取值范围

Table 4 Tolerance analysis items and value ranges

公差项目	取值范围
曲率半径	<2
中心厚度/mm	±0.04
表面偏心/mm	±0.013
表面倾斜/（°）	±0.017
材料折射率	±0.001
阿贝数/%	±0.3

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表 5 蒙特卡罗分析结果

Table 5 Monte Carlo analysis results

成像区域/%	MTF（@125 lp/mm）
90	>0.323 0
80	>0.330 1
50	>0.379 1
20	>0.441 7
10	>0.484 8

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