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ZEMAX光学设计实例（107）---一个用于监控监视广角物镜的设计

2021-12-20 10:57| 发布者：Davis| 查看：1417| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article introduces the design of a wide-angle lens for monitoring systems. The design takes into consideration the etendue, aberration, distortion, wavelength, image detector, and cost. ZEMAX is used for the optical design process. By utilizing 0.85

导论：

光学监控监视系统已大量使用在公共场所、交通工具、银行、电梯、工厂、居住小区、道路等。可以说，在当今社会，监控监视已经无处不在。

用作监控监视的物镜有以下特点：

1）视场、孔径与etendue：

一般来说，被监控的空间被分割为若干个区域，每个子区域由一个或数个监控器监控，在监控中心实时监视每个子区域，将各子区域图像合成、拼接为一个完整的大图像。因此，增大视场角不仅可以减少监控器的数量，节约成本，还可以避免图像拼接合成时的误差和死角。

etendue定义为

上式中，n`为像空间介质折射率，y`为像高，D为入射光孔径，ω为视场角（半角），F为相对孔径的倒数。

对于一个确定的设计，使相对孔径值变小（F变大），当视场增加幅度过大时，必然引起高级像差的非线性增大，且不容易校正，也导致分辨率迅速恶化。监控物镜的分辨率不高，必将影响监视识别效果。

2）畸变与视场：

随视场角增大，图像的欠校正畸变也会非线性地增大。

由于图像探测器芯片为矩形，所以拍摄到的场景是“枕形”呈现高度的非线性。

图像探测器件对角线对应的视场角通常是不用的，监控物镜的视场通常指的是水平视场角2ω_H，或同时给出垂直视场角2ω_V。

超大视场监控物镜的剩余畸变可以由数字图像处理系统进行后续补偿。

3）波段和材料：

夜间监视（夜视），光波段为近红外。

昼夜监视，物镜的使用波段需要覆盖从可见光到近红外波段。

一般光学玻璃在波长大于2.8um后吸收变得很大，这主要由于该波长近旁有氢氧根的很强的吸收峰，在玻璃的生产过程中不可避免会有OH^-进入，因此中长波段的光学系统设计需要采用特殊材料，比如各种晶体。

4）图像探测器：

与使用的波段相匹配，选用宽波段的或指定波段的图像探测器，如CCD或CMOS。

在光学设计中，波长选择应与探测器的适用波段相匹配。

5）物镜尺寸：

在许多场合下，监控设备不能太大，因此物镜的尺寸也不能大。

6）成本：

大量使用的监控物镜成本不能过高，这就要求物镜的结构紧凑，镜片数量较少。

设计一个用于监控监视的广角物镜，设计参数如下表：

波段/um	F	ρ/mm	2ω_H /°	2ω_V /°	f`/mm	BFL/mm	VL/mm	OD
0.6～1.1	4.2	5.5	114.7	87.0	4.27	10	18	Inf

注：ρ为半对角线长度。

相对孔径是一个重要的指标，大相对孔径物镜可以在夜间微光下收集到足够的光能量。

设计流程：

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Paraxial Working F/#”，并根据设计要求输入“4.2”；

视场设置说明如下：

设物距为10米，对于短焦距物镜来说，这相当于无穷远。物像的严重不对称和超大视场角，导致很大的欠校正（负）畸变。

上图中，（b）为图像探测器的第一象限，其边缘和中心分别用数字标识；（a）为物平面上对应的图形，可以看出，畸变导致被观察图形严重地偏离矩形，其中与探测器对角线端点（第5点）对应的邻域远离需要观察的场景。此外，该区域对应的视场角很大，光线容易从系统中逸出，导致光线追迹和优化处理无法进行。可以说第5点是个“奇点”，它的邻域是视场的“奇异区”，去除这一区域有利于视场的增大。

通常的处理方法是取对角线上0.85处（上图中菱形表示）为最大视场，即可去除归一化像高大于0.85的区域，该处理称为“0.85视场配置”（0.85 FOV Allocation）。

设芯片的半对角线为ρ，0.85视场配置的方法如下：

A）选择“RealImage Height”（实际像高）;

B）设ρ₃=0.85ρ，ρ₂=0.707ρ₃，ρ₂和ρ₃分别表示第二和第三视场，即以0.85视场代替1视场，这样就去除了奇异区。

C）在Gen\RayAiming（光阑像差纠正）中选择Real，确保大视场主光线通过光阑。