曾赤良，吳大德

(湖北省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院股份公司，湖北 武漢 430070)

引言

近年來(lái)，機(jī)器視覺技術(shù)得到迅猛發(fā)展，在民用工業(yè)和軍事領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用?！皺C(jī)器視覺”即采用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷，其核心技術(shù)是圖像的采集和處理，所有的信息均來(lái)源于圖像之中，因此圖像本身的質(zhì)量尤為關(guān)鍵。由于所有成像系統(tǒng)都需要搭配照明系統(tǒng)使用，因此照明系統(tǒng)是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像質(zhì)量的重要因素[1]。尤其是在安防監(jiān)控領(lǐng)域，隨著公共安防需求的提高，高清監(jiān)控已然成為未來(lái)安防監(jiān)控的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，市面上的安防監(jiān)控設(shè)備的鏡頭尺寸其實(shí)并不是很大，而旁邊的照明光源卻占據(jù)了很大的空間，這與電子產(chǎn)品小型化趨勢(shì)是不相適應(yīng)的。那么，如何將這種常用的機(jī)器視覺領(lǐng)域里的成像光路和照明光路結(jié)合起來(lái)，讓產(chǎn)品更簡(jiǎn)潔、成像質(zhì)量更好，這必將成為安防監(jiān)控產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。為了符合這種趨勢(shì)，本文先后設(shè)計(jì)了視頻監(jiān)控成像光路和使用LED光源的照明光路，并將兩個(gè)系統(tǒng)相結(jié)合。利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX給出了設(shè)計(jì)模型，并對(duì)照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

1 設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1 設(shè)計(jì)需求

本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)屬于安防監(jiān)控領(lǐng)域，其中成像鏡頭的視場(chǎng)角為48°，為了滿足夜晚的監(jiān)控使用，其搭配光圈數(shù)為2.2。具體需求如表1和表2所示，其中像高僅作為示意和參考。為了便于與照明系統(tǒng)相銜接，成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)為像方遠(yuǎn)心光路。

表1 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

表2 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

按照上述設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)思路分為兩個(gè)階段：第一階段，采用朗伯型LED光源進(jìn)行聚光設(shè)計(jì)，以滿足像面尺寸的照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)相匹配，保證在第二階段完成銜接即可；第二階段，將照明系統(tǒng)載入到成像系統(tǒng)，投射到工作區(qū)域，檢測(cè)實(shí)際照明效果；最后，再進(jìn)行系統(tǒng)的整合、優(yōu)化。

1.2 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 ZEMAX軟件建模和準(zhǔn)直

本文的設(shè)計(jì)案例選用LED作為光源。首先，建立LED光源模型。使用ZEMAX程序中的非序列模式，建立直徑為2.6 mm的LED芯片，定義其發(fā)光面為朗伯型光源，選擇模擬光束50 000條，點(diǎn)擊光線追跡，選擇強(qiáng)度顯示查看其光束分布情況[2]。

LED為朗伯型光源，其光束情況見圖1左側(cè)，接受面的光束輻照度分布情況見圖1右側(cè)。由此可見，LED發(fā)出的光束分布不均勻，角度分散為120°。因此需要對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)聚光杯，通過(guò)ZEMAX設(shè)計(jì)軟件不斷調(diào)整聚光杯的面型對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直(圖2左側(cè))；然后，再通過(guò)布爾運(yùn)算定義聚光透鏡體，輸入初始參數(shù)材料選擇PMMA，載入光源，可見光束在經(jīng)過(guò)聚光透鏡之后，實(shí)現(xiàn)了光束的準(zhǔn)直(圖2右側(cè))。

圖1 LED建模

圖2 光束準(zhǔn)直模型

在聚光杯后加載探測(cè)器表面，打開探測(cè)器的輻照度圖像，可查看到準(zhǔn)直之后的光束分布情況。由圖3可知，雖然光束都完成了收集，但是光斑的中心亮度較低，而光斑的邊緣呈現(xiàn)亮度不均勻的圓環(huán)分布。此時(shí)聚光杯的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

圖3 光束準(zhǔn)直效果圖

表3 聚光杯設(shè)計(jì)參數(shù)

但本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將不均勻、不規(guī)則的LED光束，均勻地投射到CCTV鏡頭的成像面上。此時(shí)的光束呈現(xiàn)光斑不理想，光束分布不均勻，具體表現(xiàn)如下：

1)輸出的光束呈現(xiàn)為圓形，而配套的CCTV圖像傳感器為矩形，因此需要將圓形光束轉(zhuǎn)變成矩形光束；

2)光束不均勻。

為了解決上述問(wèn)題，擬采用微透鏡陣列的方式[3-5]，實(shí)現(xiàn)光束的整形。

1.2.2 光束的勻光和整形設(shè)計(jì)

在ZEMAX軟件中引入透鏡陣列的表面，將準(zhǔn)直的光束分割成10×10的小方格透鏡，將每個(gè)小透鏡的曲率設(shè)置為變量，進(jìn)行建模。

圖4 照明光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為方便描述，圖4從左至右分別命名為L(zhǎng)ED及聚光杯、探測(cè)器一、透鏡陣列一、透鏡陣列二、普通聚光透鏡、探測(cè)器二。LED放置在聚光杯內(nèi)部，所有元器件同軸放置，LED發(fā)出的光經(jīng)過(guò)聚光杯準(zhǔn)直之后，直射入透鏡陣列一，然后透鏡陣列一將光束分割成若干等份，并且將分割后的光束成像在透鏡陣列二上，然后再將光束經(jīng)過(guò)普通聚光透鏡之后，每個(gè)分割的小光束重新將光匯聚在探測(cè)器二上。

微透鏡陣列相當(dāng)于把不均勻的光束分割為不同的區(qū)域，然后再連續(xù)后面的普通透鏡，將分割后的光束呈現(xiàn)在探測(cè)器二上，相當(dāng)于在探測(cè)器二上對(duì)光束重新進(jìn)行了多次疊加和積分，這樣光束就完成了勻光設(shè)計(jì)。同時(shí)，微透鏡陣列的形狀按照CMOS的長(zhǎng)寬比例，設(shè)計(jì)為3∶4，這樣一來(lái)，則完成了光束的整形。通過(guò)調(diào)整微透鏡的大小和個(gè)數(shù)，尺寸越小，疊加次數(shù)越多，那么在探測(cè)器上的光束就越均勻[6-8]。

優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1)微透鏡陣列

兩個(gè)微透鏡陣列的參數(shù)一樣，具體如表4所示。

表4 微透鏡陣列的設(shè)計(jì)參數(shù)

2)準(zhǔn)直透鏡

單個(gè)準(zhǔn)直透鏡的具體參數(shù)如表5所示。

表5 準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)參數(shù)

3)元器件之間的距離

照明系統(tǒng)各元器件之間的距離參數(shù)如表6所示。

表6 元器件之間的距離

探測(cè)器二上的光束如圖5所示。測(cè)得照明尺寸為6 mm×8 mm，對(duì)角線長(zhǎng)度為10 mm，尺寸和CMOS像面大小一致。由于準(zhǔn)直前的光束口徑為11.5 mm，通過(guò)計(jì)算我們可以得到對(duì)應(yīng)聚光透鏡的角度θ。即：

θ=2arctan(11.5-5)/50=2×7.4°

(1)

也就是±7.4°的照明角度。為了做到和成像光路進(jìn)行銜接，需要滿足的條件為：

1)成像光路采用遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)；

2)遠(yuǎn)心光束的夾角為±7.4°左右；

3)成像光路的成像面尺寸為6 mm×8 mm。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

此時(shí)，已經(jīng)完成了照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，照明系統(tǒng)光路參數(shù)如上，且光斑圖案均勻分布，聚光效果較為理想。當(dāng)然，為了得到效果更佳的聚光效果，可以使用更多的微透鏡陣列和更為細(xì)致的聚光光路等方式，本文不再贅述。

1.3 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 初始結(jié)構(gòu)的選擇

按照上文描述，本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)視場(chǎng)角度大小為48°，像面大小6 mm×8 mm，F(xiàn)數(shù)為2.2左右的成像物鏡。通過(guò)查詢參考文獻(xiàn)[2]，可選擇天塞型照相物鏡作為初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

天塞型照相物鏡比較常見，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，成像表面上的光束偏轉(zhuǎn)角度較大，不是像方遠(yuǎn)心的結(jié)構(gòu)。但是該系統(tǒng)的視場(chǎng)角度為50°，系統(tǒng)總長(zhǎng)107 mm。因此，需要進(jìn)行光路優(yōu)化，該系統(tǒng)的初始參數(shù)如表7所示。

1.3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

為了達(dá)到滿足像方遠(yuǎn)心光路的要求和像面大小的要求，須對(duì)上述初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)縮放焦距、調(diào)整成像面大小、中和系統(tǒng)像差之后，得到如圖7所示的設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖6 天塞型物鏡初始結(jié)構(gòu)

表7 天塞型物鏡初始參數(shù)

圖7 優(yōu)化后的成像光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的成像光路系統(tǒng)采用了6片常規(guī)透鏡，從初始結(jié)構(gòu)中的天塞型物鏡演化成類似攝遠(yuǎn)物鏡的結(jié)構(gòu)，并且像方為遠(yuǎn)心光束。該光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成像質(zhì)量較好；能滿足FOV48°，成像面6 mm×8 mm的尺寸，F(xiàn)數(shù)為2.2，且投射到成像面的光束為遠(yuǎn)心光束的效果。其中入射到成像面的光束孔徑角為±7.53°，與照明系統(tǒng)的±7.4°匹配程度很高，可以很好地完成系統(tǒng)的銜接。詳細(xì)的光路參數(shù)見表8。

從設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)看，本系統(tǒng)的總長(zhǎng)為47 mm，系統(tǒng)焦距為11.4 mm，后焦距為13.79 mm，F(xiàn)數(shù)為2.23，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖8所示。

1.4 成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的銜接

1.4.1 銜接方式

常規(guī)的安防系統(tǒng)，采用成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)相分離的方式。本文設(shè)計(jì)的成像光路后焦距為13.79 mm，系統(tǒng)的像面尺寸為6 mm×8 mm，對(duì)應(yīng)的對(duì)角線口徑為10 mm，有足夠的空間放置棱鏡或者半反半透鏡用于系統(tǒng)的銜接。本設(shè)計(jì)采用半反半透鏡的方式，更為簡(jiǎn)潔。

1.4.2 系統(tǒng)仿真

將成像系統(tǒng)導(dǎo)入到照明系統(tǒng)中，使用非序列模式進(jìn)行光束追跡，如圖9所示。

在透鏡前200 mm處增加探測(cè)器，得到探測(cè)器的光束分布情況如圖10所示。

此時(shí)的光斑尺寸規(guī)整長(zhǎng)寬為304 mm×230 mm，對(duì)角線尺寸為190 mm，計(jì)算得FOV=2×arctan(95/200)=50°，與設(shè)計(jì)的48°視場(chǎng)角相吻合。

表8 優(yōu)化后的成像光路系統(tǒng)參數(shù)

圖8 設(shè)計(jì)結(jié)果像差圖

圖9 成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)銜接結(jié)構(gòu)圖

圖10 成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)銜接結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)論

本文介紹了一種實(shí)用性強(qiáng)的同軸照明系統(tǒng)，結(jié)合成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，使用最便宜且最常規(guī)的朗博體LED芯片作為設(shè)計(jì)光源，設(shè)計(jì)了一款聚光角度為48°，成像角度為48°的安防光學(xué)系統(tǒng)。從仿真結(jié)果看，明顯優(yōu)于常規(guī)的光源直接照明的方式，并且照明區(qū)域和成像系統(tǒng)的視場(chǎng)大小完全吻合，沒有多余的光束浪費(fèi)。該方法可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺領(lǐng)域，能夠有效縮小機(jī)器視覺表面的尺寸。