王 琨，林 峰

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智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的光學(xué)成像鏡頭設(shè)計(jì)

王 琨，林 峰

( 福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007 )

本文通過Zemax軟件設(shè)計(jì)一款用于智能交通監(jiān)控系統(tǒng)車牌識(shí)別的寬波段、大孔徑、大靶面光學(xué)成像鏡頭。利用紅外技術(shù)，保證在昏暗或夜間環(huán)境中仍然能夠清晰成像。近紅外中心波長為850 nm，采用Zemax多重組態(tài)設(shè)計(jì)，使可見光和近紅外光共焦。根據(jù)消色差理論，選擇合適材料組合消色差，最大焦面漂移量為44 μm。通過鏡頭應(yīng)用參數(shù)分析，鏡頭F數(shù)設(shè)定為1.2，半視場(chǎng)角為13°，使用索尼ICX814一英寸CCD圖像傳感器，像元尺寸為3.7 μm×3.7 μm，全視場(chǎng)MTF值在空間頻率135 lp/mm大于0.3。

光學(xué)設(shè)計(jì)；車牌識(shí)別；寬波段；消色差

0 引 言

隨著交通系統(tǒng)的日益繁忙，智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的作用愈發(fā)突出。車牌識(shí)別是智能交通監(jiān)控的重要部分，對(duì)車牌信息的實(shí)時(shí)清晰成像，將為公安交通管理部門提取違法車輛的信息提供可靠的證據(jù)[1]。車輛的抓拍與環(huán)境的亮度和能見度密切相關(guān)，在黑暗或者能見度不佳時(shí)，鏡頭成像的質(zhì)量會(huì)大幅度下降甚至無法實(shí)現(xiàn)抓拍。在智能交通監(jiān)控領(lǐng)域，具有日夜兩用功能的高端鏡頭大多數(shù)由精工、Kowa、Computar等國外廠商占據(jù)，例如精工在2013年推出了2/3英寸(1英寸對(duì)角線長度為16 mm)靶面、最大光圈值F1.4、500萬像素的多款智能交通專用鏡頭，不具備日夜共焦；Computar在2014年推出的M3518FIC-MPIR，光圈值為F1.8、靶面2/3英寸、500萬像素，具有IR紅外功能。國內(nèi)涉及智能交通監(jiān)控的廠商有舜宇光學(xué)、長步道光學(xué)、福特科等，產(chǎn)品指標(biāo)大體與國外廠商一致。例如舜光學(xué)推出的SYC7050A，F(xiàn)數(shù)為1.4、1英寸靶面、500萬像素，具有日夜功能；福特科推出的CM-(8MP)-1F12系列，F(xiàn)數(shù)達(dá)到1.2、靶面為1英寸、800萬像素，但不具備日夜功能。總的來說，現(xiàn)在主流產(chǎn)品指標(biāo)為靶面2/3英寸、F數(shù)多為1.4以上、500萬像素。本文通過多重組態(tài)設(shè)計(jì)方法[8]，采用紅外技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款大孔徑、大靶面的監(jiān)控鏡頭。該鏡頭具有紅外校正，分辨力達(dá)到900萬像素，能夠?qū)崿F(xiàn)晝夜高清監(jiān)控。同時(shí)該系統(tǒng)全部為球面設(shè)計(jì)，使用普通光學(xué)玻璃。

1 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)分析

我國城市道路主干道一般為雙向六車道，每車道寬度3.5 m。車牌有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的大小，即寬度為45 cm，高度為15 cm。車牌上單個(gè)字符寬45 mm，字符的筆畫寬度為10 mm，第2字符與第3字符之間的間隙為34 mm，其他字符間隙為12 mm。車牌抓拍的圖像大小會(huì)隨CCD采集圖像的時(shí)機(jī)[2]不同而產(chǎn)生一定比例的縮放，但是總體比例不會(huì)有太大變化。

該監(jiān)控鏡頭用于拍攝單向三車道的范圍，物距為25 m～35 m。采用索尼ICX814一英寸靶面CCD圖像傳感器，圖1為它的光譜響應(yīng)曲線，大靶面保證成像范圍足夠大，有效感光尺寸為12.8 mm×9.6 mm，像元大小為3.7mm×3.7mm。如圖2所示，為拍攝車道半寬，為CCD成像面水平半寬，為物距，為水平半視場(chǎng)角。由三角關(guān)系得，，取=30 m，代入后得。根據(jù)圖像傳感器H :V :D=4 :3 :5的比例關(guān)系可以求得半視場(chǎng)角。再由像高與視場(chǎng)角的關(guān)系，焦距，代入求得mm，取焦距為35 mm，經(jīng)過理論計(jì)算25 m～35 m范圍該鏡頭都滿足分辨力要求。

圖1 光譜靈敏度特性

圖2 物像關(guān)系

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控鏡頭工作波長為可見光和近紅外光，無論白晝或黑夜都能清晰成像。該鏡頭用于夜間監(jiān)控時(shí)，采用主動(dòng)的紅外照明光源來對(duì)監(jiān)控的目標(biāo)補(bǔ)光[4]，保證亮度達(dá)到攝像機(jī)的成像要求。目前使用的紅外燈的光譜線有兩種，一種是有輕微紅曝，波長是850 nm；一種是無紅曝，波長在940 nm[4]。對(duì)于同一款攝像機(jī)，850 nm波長的感應(yīng)度比在940 nm波長的感應(yīng)度要好10倍。所以近紅外光的中心波長選擇850 nm。F數(shù)是相對(duì)孔徑()的倒數(shù)，決定鏡頭通光量的大小。為保證鏡頭夜間近紅外光的通光量，F(xiàn)數(shù)要較小。由于國內(nèi)產(chǎn)品較少，參照日本精工推出的同類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，該鏡頭設(shè)計(jì)F數(shù)定為1.2，可以極大改善夜間的成像效果。畸變會(huì)導(dǎo)致成像的變形，為了能夠準(zhǔn)確的識(shí)別車牌上的字符，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，要求設(shè)計(jì)畸變小于-2.5%。通過上述分析，確定該鏡頭的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

Table 1 Design specification

1.2 初始結(jié)構(gòu)優(yōu)化

攝像鏡頭普遍采用天塞和雙高斯結(jié)構(gòu)，前者主要用于中等孔徑；后者則用于大孔徑中等視場(chǎng)[5]。由于設(shè)計(jì)指標(biāo)F數(shù)1.2屬于大孔徑，所以尋找雙高斯結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)有益于后續(xù)優(yōu)化。得到的初始結(jié)構(gòu)圖及MTF曲線如圖3、圖4所示。該結(jié)構(gòu)的參數(shù)：焦距為35.5 mm，F(xiàn)數(shù)是1.28，視場(chǎng)角達(dá)到64°，接近設(shè)計(jì)指標(biāo)。該初始結(jié)構(gòu)為改良型的雙高斯結(jié)構(gòu)，不僅易于像差的校正，同時(shí)在裝配上可以提高良品率。首先選擇成都光明玻璃庫，縮放焦距為35 mm，半視場(chǎng)角設(shè)為13°。設(shè)計(jì)波段有可見光和近紅外光，采用多重組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)可見光與近紅外光共焦。雙膠合透鏡有利于消球差和色差，同時(shí)膠合組也利于生產(chǎn)和裝配。圖3上看出第六面和第七面曲率及間距相差很小，可以將第三片和第四片膠合起來，增加膠合組還能簡化整體結(jié)構(gòu)。設(shè)置評(píng)價(jià)函數(shù)嚴(yán)格控制焦距和畸變，同時(shí)控制玻璃厚度與曲率，以及材料的折射率和阿貝系數(shù)等邊界條件，將初始結(jié)構(gòu)優(yōu)化至穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖3 初始結(jié)構(gòu)

圖4 MTF 曲線

1.3 光學(xué)材料的選擇

色差是不同波長的光透過光學(xué)介質(zhì)時(shí)，因色散不同而導(dǎo)致成像位置和成像倍率的不同。由于該鏡頭是寬波段成像，色差是影響成像質(zhì)量的重要因素之一，因此必須消色差[7]。根據(jù)消色差理論，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足[7]：

2 像質(zhì)分析

選擇合理的材料后，把握好各個(gè)視場(chǎng)及優(yōu)化操作數(shù)的權(quán)重設(shè)置，通過全局優(yōu)化和錘形優(yōu)化，其成像質(zhì)量得到很大的改善。優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖6所示為全波段場(chǎng)曲和畸變，最大畸變小于-2%，滿足應(yīng)用要求。

圖5 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 場(chǎng)曲和畸變

圖7分別為可見光和近紅外光的MTF曲線。0.7視場(chǎng)內(nèi)是鏡頭成像的主要區(qū)域，邊緣視場(chǎng)的成像質(zhì)量允許一定程度的下降。從圖中可以看出，無論是可見光波段還是近紅外光波段，在0.7視場(chǎng)內(nèi)135 lp/mm處MTF值均大于0.32，分辨力較高。圖8為兩個(gè)波段的點(diǎn)列圖，可以看出除了可見光波段邊緣視場(chǎng)的彌散圓半徑略大于像元尺寸3.7 μm，其余各視場(chǎng)的彌散圓半徑均小于像元尺寸，滿足設(shè)計(jì)要求。圖9和圖10所示是全波段色差曲線圖與多色光焦點(diǎn)漂移圖，0.486 μm、0.656 μm、0.850 μm三個(gè)波段在0.707孔徑帶基本交于一點(diǎn)，最大焦移量為44 μm，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了消色差。

圖7 MTF 曲線 (a) 可見光波段；(b) 近紅外波段

圖8 點(diǎn)列圖 (a) 可見光波段；(b) 近紅外波段

圖9 色球差曲線

圖10 焦點(diǎn)漂移圖

3 公差分析

完成理論的光學(xué)設(shè)計(jì)后，產(chǎn)品投產(chǎn)前需根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)工藝和裝配檢測(cè)工藝的公差標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行合理的公差分配，以此保證產(chǎn)品的實(shí)際光學(xué)性能和良率。表2是該系統(tǒng)的公差要求。

表2 公差要求

Table 2 Tolerance requirements

以135 lp/mm的衍射平均值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，用Zemax進(jìn)行公差分析后，影響較為嚴(yán)重的公差操作數(shù)如圖11所示。從圖中可以看出，對(duì)MTF影響最大的是第14到第19光學(xué)面的厚度偏差、第7和第16光學(xué)面的傾斜公差以及第1片與第9片透鏡的偏心公差。生產(chǎn)加工時(shí)對(duì)這幾個(gè)公差需要較為嚴(yán)格的控制，第14到第19光學(xué)面的厚度公差設(shè)置為±0.02 mm，同時(shí)對(duì)應(yīng)傾角公差設(shè)為1.5′，偏心公差設(shè)為0.01 mm。再次進(jìn)行公差分析，蒙特卡羅模擬后的MTF曲線及結(jié)果如圖12及表3所示，分析結(jié)果為90%大于0.131 892 264，說明根據(jù)上述公差要求該光學(xué)系統(tǒng)的公差分配滿足實(shí)際生產(chǎn)加工及裝配要求。

圖11 最敏感公差操作數(shù)

圖12 蒙特卡羅MTF 曲線

表3 蒙特卡羅分析結(jié)果

Table 3 The results of Monte Carlo analysis

4 結(jié) 論

本文采用Zemax軟件設(shè)計(jì)了一款大孔徑、大靶面、具有紅外校正的智能交通監(jiān)控鏡頭。鏡頭的F數(shù)為1.2，靶面為1英寸。對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)分析表明，可見光和近紅外光在135 lp/mm都具有較高的分辨力，像差控制符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，鏡頭滿足車牌識(shí)別的應(yīng)用要求。經(jīng)公差分析可知該鏡頭滿足實(shí)際生產(chǎn)加工要求，并給出了生產(chǎn)中應(yīng)著重管控的位置。所使用材料都為常見光學(xué)玻璃，全部為球面設(shè)計(jì)，具有較好的應(yīng)用前景。

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Design of Optical Imaging Lens for Intelligent Transportation Monitoring System

WANG Kun，LIN Feng

( Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine Ministry of Education, College of Photoelectric and Information Engineering, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China )

A wide waveband, large aperture and target optical imaging lens is designed by using Zemax software, which is applied to recognize license plate in intelligent transportation monitoring system. By using the infrared corresponding technology, the lens can still obtain clear imaging in the dark or night. The near infrared central wavelength is 850 nm. The Zemax multi-configuration design method is used to make visible light and near-infrared light confocal. According to the achromatic theory, appropriate material is chosen to eliminate chromatism and the maximum focal shift is 44 μm. After analyzing the lens application parameters, the F number is set to 1.2 and half field of view is 13°. In addition, the lens goes with Sony ICX841 CCD image sensor and the target surface is one inch. And the pixels size is 3.7 μm×3.7 μm. Furthermore, MTF of all fields are more than 0.3 at the spatial frequency of 135 lp/mm.

optical design; license plate recognition; wide waveband; achromatism

TN241

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.05.011

2015-09-10；

2016-01-02

福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2013H0022)；福州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014-G-68)

王琨(1988-)，男(漢族)，福建建陽人。碩士研究生，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail: 419625206@qq.com。

林峰(1968-)，男(漢族)，福建龍巖人。高級(jí)工程師，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail: lfeng127@163.com。