高解析近紅外一體攝像機(jī)鏡頭的設(shè)計(jì).pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)、科學(xué)科技迅速的發(fā)展，無論是發(fā)達(dá)國家，還是發(fā)展中國國家或欠發(fā)達(dá)國家，安全問題都成為當(dāng)今整個(gè)社會所關(guān)注的焦點(diǎn)，現(xiàn)在在普通人的日常生活環(huán)境中，如超市、辦公樓、車庫、街道、酒店、廣場、甚至居住的小區(qū)，到處都有攝像機(jī)，可以說，攝像機(jī)已經(jīng)無處不在。而隨著安防監(jiān)控逐漸成為社會需求關(guān)注的熱點(diǎn)，安防技術(shù)的發(fā)展也越來越受到社會各方面的重視，人們對監(jiān)控的要求已由以前的可見光監(jiān)控逐漸向夜間無光監(jiān)控的方向發(fā)展。紅外攝像技術(shù)自從被應(yīng)用于民用行業(yè)以來，這幾

2、年得到了迅速發(fā)展，在各行各業(yè)中都得到了普及。紅外攝像技術(shù)牽涉到較多的技術(shù)問題，從紅外燈到CCD鏡頭，都與白天所用的攝像機(jī)有所不同。本論文研究工作的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)具有較高分辯率的近紅外連續(xù)變焦鏡頭，并為了提高成像質(zhì)量，對變焦鏡頭進(jìn)行鬼像分析。論文研究內(nèi)容如下： 緒論部分先對所要的研究的課題作一個(gè)說明，闡明紅外攝像一體機(jī)的在安防等領(lǐng)域的意義及其研究目的。目前隱蔽的、科學(xué)的夜視監(jiān)控是采用紅外攝像技術(shù)，紅外攝像技術(shù)分為被動攝像技術(shù)和主動

3、攝像技術(shù)著兩種。主動紅外攝像技術(shù)成熟，價(jià)格較低，成像質(zhì)量好，故成為夜視監(jiān)控的主流，本文所采用的也是這種技術(shù)。然后對其工作原理、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢做了簡單介紹，并指出當(dāng)前存在的缺點(diǎn)及不足。在此基礎(chǔ)上本文提出研究設(shè)計(jì)具有高分辨率的近紅外一體機(jī)鏡頭，旨在設(shè)計(jì)一種變焦鏡頭在有紅外輔助光源時(shí)鏡頭焦點(diǎn)不偏移，從而保證不論是夜晚和白天都能獲得同樣清晰圖像。 第一章概述了變焦距光學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)理論和對變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探究。變焦距光學(xué)系

4、統(tǒng)是一種焦距可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化而像面保持穩(wěn)定，并且在變焦距過程中像質(zhì)保持良好的光學(xué)系統(tǒng)。在這章中首先介紹了幾種類型的變焦系統(tǒng)的描述、變焦運(yùn)動過程分析及變焦系統(tǒng)的高斯求解。機(jī)械補(bǔ)償比光學(xué)補(bǔ)償有更靈活的設(shè)計(jì)形式和更緊湊的結(jié)構(gòu)，其中主要介紹了只有一個(gè)變倍組和一個(gè)補(bǔ)償組的變焦距系統(tǒng)，及其高斯光學(xué)參數(shù)的求解。接著探討了變焦系統(tǒng)鬼像的來源、危害及雜散光的常用的分析方法。 第二章講述了高解析紅外變焦一體機(jī)鏡頭的設(shè)計(jì)和優(yōu)化的整個(gè)過程。首先

5、根據(jù)實(shí)際需求和目前的技術(shù)給近紅外攝像一體機(jī)提出了設(shè)計(jì)方案，確定了光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，并查閱現(xiàn)有的資料和專利，找出合適有潛力的結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)。接著依靠ZEMAX輔助光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的強(qiáng)大功能優(yōu)化設(shè)計(jì)出變倍比10×的近紅外攝像一體機(jī)鏡頭。該系統(tǒng)采用機(jī)械補(bǔ)償式，工作波長為0.486 μm-0.656 μm(可見光)和850 μm(近紅外)、焦距為5～50mm、F＃最大值是2.4，實(shí)現(xiàn)了0.7視場其空間頻率為501p/mm的調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.3，系

6、統(tǒng)像面穩(wěn)定、像質(zhì)良好具有高解析的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果。最后給出了該變焦系統(tǒng)的凸輪曲線，將變倍組2的運(yùn)動軌跡設(shè)計(jì)成非線形曲線，以降低凸輪爬升角，減小凸輪運(yùn)動阻力。 第三章對變焦系統(tǒng)鬼像的分析進(jìn)行了探討。光學(xué)系統(tǒng)的雜散光在光機(jī)系統(tǒng)內(nèi)由于多次殘余反射會形成鬼像。對于變焦成像系統(tǒng)來說，由于面數(shù)較多、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜更易在像面附近形成光暈或鬼像，從而影響了成像的銳度和對比度，降低了鏡頭的分辨率，干擾目標(biāo)的識別；而且還由于變焦系統(tǒng)具有運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，以

7、至于難以進(jìn)行全面的分析模擬。本章應(yīng)用ASAP分析軟件，模擬出變焦系統(tǒng)其鏡頭表面和光機(jī)內(nèi)壁的散射模型，分別對系統(tǒng)在變焦過程的幾種狀態(tài)依次進(jìn)行雜散光分析；通過大量的實(shí)際光線追跡，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行重點(diǎn)考察，為如何減小鬼點(diǎn)數(shù)目，減低鬼像的影響提供了詳盡的數(shù)據(jù)參考；并以此為依據(jù)對變焦系統(tǒng)分別通過對改變二次反射所在面的曲率或改變所在面的折射率進(jìn)行優(yōu)化兩種方法進(jìn)行比較，得出優(yōu)化時(shí)選擇利用改變二次反射所在面的曲率，會更容易盡量保持非正常光線沿正常成像光

8、線走向以達(dá)到降低鬼像的影響，以提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。 第四章對本課題的工作進(jìn)行了總結(jié)和展望。在變焦紅外一體機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)方面，本論文做了一定的研究工作，設(shè)計(jì)出了一種帶有環(huán)境光探測裝置的攝像鏡頭系統(tǒng)，可在弱光或無光環(huán)境下自動打開大功率的LED紅外輔助照明，其寬譜線共焦成像特性保證了在日夜不同譜線條件下不產(chǎn)生像面漂移，都能同時(shí)清晰成像；并實(shí)現(xiàn)了0.7視場其空間頻率為501p/mm的調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.3，具有優(yōu)良的成像質(zhì)量、較高的分