用于安防摄像头的同轴照明设计

曾赤良，吴大德

(湖北省机电研究设计院股份公司，湖北 武汉 430070)

引言

近年来，机器视觉技术得到迅猛发展，在民用工业和军事领域得到广泛地应用。“机器视觉”即采用机器代替人眼来做测量和判断，其核心技术是图像的采集和处理，所有的信息均来源于图像之中，因此图像本身的质量尤为关键。由于所有成像系统都需要搭配照明系统使用，因此照明系统是影响机器视觉系统图像质量的重要因素[1]。尤其是在安防监控领域，随着公共安防需求的提高，高清监控已然成为未来安防监控的发展趋势。

目前，市面上的安防监控设备的镜头尺寸其实并不是很大，而旁边的照明光源却占据了很大的空间，这与电子产品小型化趋势是不相适应的。那么，如何将这种常用的机器视觉领域里的成像光路和照明光路结合起来，让产品更简洁、成像质量更好，这必将成为安防监控产品的发展趋势。为了符合这种趋势，本文先后设计了视频监控成像光路和使用LED光源的照明光路，并将两个系统相结合。利用光学设计软件ZEMAX给出了设计模型，并对照明系统和成像系统进行了分析。

1 设计过程

1.1 设计需求

本文设计的光学系统属于安防监控领域，其中成像镜头的视场角为48°，为了满足夜晚的监控使用，其搭配光圈数为2.2。具体需求如表1和表2所示，其中像高仅作为示意和参考。为了便于与照明系统相衔接，成像系统设计为像方远心光路。

表1 成像系统设计要求

表2 照明系统设计要求

按照上述设计要求，本文设计思路分为两个阶段：第一阶段，采用朗伯型LED光源进行聚光设计，以满足像面尺寸的照明系统和成像系统相匹配，保证在第二阶段完成衔接即可；第二阶段，将照明系统载入到成像系统，投射到工作区域，检测实际照明效果；最后，再进行系统的整合、优化。

1.2 照明系统设计

1.2.1 ZEMAX软件建模和准直

本文的设计案例选用LED作为光源。首先，建立LED光源模型。使用ZEMAX程序中的非序列模式，建立直径为2.6 mm的LED芯片，定义其发光面为朗伯型光源，选择模拟光束50 000条，点击光线追迹，选择强度显示查看其光束分布情况[2]。

LED为朗伯型光源，其光束情况见图1左侧，接受面的光束辐照度分布情况见图1右侧。由此可见，LED发出的光束分布不均匀，角度分散为120°。因此需要对光束进行准直设计。首先，设计聚光杯，通过ZEMAX设计软件不断调整聚光杯的面型对光束进行准直(图2左侧)；然后，再通过布尔运算定义聚光透镜体，输入初始参数材料选择PMMA，载入光源，可见光束在经过聚光透镜之后，实现了光束的准直(图2右侧)。

图1 LED建模

图2 光束准直模型

在聚光杯后加载探测器表面，打开探测器的辐照度图像，可查看到准直之后的光束分布情况。由图3可知，虽然光束都完成了收集，但是光斑的中心亮度较低，而光斑的边缘呈现亮度不均匀的圆环分布。此时聚光杯的设计参数如表3所示。

图3 光束准直效果图

表3 聚光杯设计参数

但本文的设计目标是将不均匀、不规则的LED光束，均匀地投射到CCTV镜头的成像面上。此时的光束呈现光斑不理想，光束分布不均匀，具体表现如下：

1)输出的光束呈现为圆形，而配套的CCTV图像传感器为矩形，因此需要将圆形光束转变成矩形光束；

2)光束不均匀。

为了解决上述问题，拟采用微透镜阵列的方式[3-5]，实现光束的整形。

1.2.2 光束的匀光和整形设计

在ZEMAX软件中引入透镜阵列的表面，将准直的光束分割成10×10的小方格透镜，将每个小透镜的曲率设置为变量，进行建模。

图4 照明光路系统结构

为方便描述，图4从左至右分别命名为LED及聚光杯、探测器一、透镜阵列一、透镜阵列二、普通聚光透镜、探测器二。LED放置在聚光杯内部，所有元器件同轴放置，LED发出的光经过聚光杯准直之后，直射入透镜阵列一，然后透镜阵列一将光束分割成若干等份，并且将分割后的光束成像在透镜阵列二上，然后再将光束经过普通聚光透镜之后，每个分割的小光束重新将光汇聚在探测器二上。

微透镜阵列相当于把不均匀的光束分割为不同的区域，然后再连续后面的普通透镜，将分割后的光束呈现在探测器二上，相当于在探测器二上对光束重新进行了多次叠加和积分，这样光束就完成了匀光设计。同时，微透镜阵列的形状按照CMOS的长宽比例，设计为3∶4，这样一来，则完成了光束的整形。通过调整微透镜的大小和个数，尺寸越小，叠加次数越多，那么在探测器上的光束就越均匀[6-8]。

优化后的设计参数如下：

1)微透镜阵列

两个微透镜阵列的参数一样，具体如表4所示。

表4 微透镜阵列的设计参数

2)准直透镜

单个准直透镜的具体参数如表5所示。

表5 准直透镜设计参数

3)元器件之间的距离

照明系统各元器件之间的距离参数如表6所示。

表6 元器件之间的距离

探测器二上的光束如图5所示。测得照明尺寸为6 mm×8 mm，对角线长度为10 mm，尺寸和CMOS像面大小一致。由于准直前的光束口径为11.5 mm，通过计算我们可以得到对应聚光透镜的角度θ。即：

θ=2arctan(11.5-5)/50=2×7.4°

(1)

也就是±7.4°的照明角度。为了做到和成像光路进行衔接，需要满足的条件为：

1)成像光路采用远心设计；

2)远心光束的夹角为±7.4°左右；

3)成像光路的成像面尺寸为6 mm×8 mm。

图5 优化设计结果

此时，已经完成了照明系统的设计，照明系统光路参数如上，且光斑图案均匀分布，聚光效果较为理想。当然，为了得到效果更佳的聚光效果，可以使用更多的微透镜阵列和更为细致的聚光光路等方式，本文不再赘述。

1.3 成像系统设计

1.3.1 初始结构的选择

按照上文描述，本系统需要设计一个视场角度大小为48°，像面大小6 mm×8 mm，F数为2.2左右的成像物镜。通过查询参考文献[2]，可选择天塞型照相物镜作为初始结构设计该系统。该系统的结构如图6所示。

天塞型照相物镜比较常见，结构简单，安装方便，成像表面上的光束偏转角度较大，不是像方远心的结构。但是该系统的视场角度为50°，系统总长107 mm。因此，需要进行光路优化，该系统的初始参数如表7所示。

1.3.2 设计结果

为了达到满足像方远心光路的要求和像面大小的要求，须对上述初始结构进行优化设计。经过缩放焦距、调整成像面大小、中和系统像差之后，得到如图7所示的设计结果。

图6 天塞型物镜初始结构

表7 天塞型物镜初始参数

图7 优化后的成像光路系统结构

优化后的成像光路系统采用了6片常规透镜，从初始结构中的天塞型物镜演化成类似摄远物镜的结构，并且像方为远心光束。该光学系统结构简单，成像质量较好；能满足FOV48°，成像面6 mm×8 mm的尺寸，F数为2.2，且投射到成像面的光束为远心光束的效果。其中入射到成像面的光束孔径角为±7.53°，与照明系统的±7.4°匹配程度很高，可以很好地完成系统的衔接。详细的光路参数见表8。

从设计结果来看，本系统的总长为47 mm，系统焦距为11.4 mm，后焦距为13.79 mm，F数为2.23，满足设计要求，如图8所示。

1.4 成像系统和照明系统的衔接

1.4.1 衔接方式

常规的安防系统，采用成像系统和照明系统相分离的方式。本文设计的成像光路后焦距为13.79 mm，系统的像面尺寸为6 mm×8 mm，对应的对角线口径为10 mm，有足够的空间放置棱镜或者半反半透镜用于系统的衔接。本设计采用半反半透镜的方式，更为简洁。

1.4.2 系统仿真

将成像系统导入到照明系统中，使用非序列模式进行光束追迹，如图9所示。

在透镜前200 mm处增加探测器，得到探测器的光束分布情况如图10所示。

此时的光斑尺寸规整长宽为304 mm×230 mm，对角线尺寸为190 mm，计算得FOV=2×arctan(95/200)=50°，与设计的48°视场角相吻合。

表8 优化后的成像光路系统参数

图8 设计结果像差图

图9 成像系统和照明系统衔接结构图

图10 成像系统和照明系统衔接结构图

2 结论

本文介绍了一种实用性强的同轴照明系统，结合成像系统的设计需求，使用最便宜且最常规的朗博体LED芯片作为设计光源，设计了一款聚光角度为48°，成像角度为48°的安防光学系统。从仿真结果看，明显优于常规的光源直接照明的方式，并且照明区域和成像系统的视场大小完全吻合，没有多余的光束浪费。该方法可以广泛应用于机器视觉领域，能够有效缩小机器视觉表面的尺寸。