高解析近红外一体摄像机镜头的设计

摘要

随着经济、科学科技迅速的发展，无论是发达国家，还是发展中国国家或欠发达国家，安全问题都成为当今整个社会所关注的焦点，现在在普通人的日常生活环境中，如超市、办公楼、车库、街道、酒店、广场、甚至居住的小区，到处都有摄像机，可以说，摄像机已经无处不在。而随着安防监控逐渐成为社会需求关注的热点，安防技术的发展也越来越受到社会各方面的重视，人们对监控的要求已由以前的可见光监控逐渐向夜间无光监控的方向发展。红外摄像技术自从被应用于民用行业以来，这几年得到了迅速发展，在各行各业中都得到了普及。红外摄像技术牵涉到较多的技术问题，从红外灯到CCD镜头，都与白天所用的摄像机有所不同。本论文研究工作的主要任务是设计具有较高分辩率的近红外连续变焦镜头，并为了提高成像质量，对变焦镜头进行鬼像分析。论文研究内容如下： 绪论部分先对所要的研究的课题作一个说明，阐明红外摄像一体机的在安防等领域的意义及其研究目的。目前隐蔽的、科学的夜视监控是采用红外摄像技术，红外摄像技术分为被动摄像技术和主动摄像技术着两种。主动红外摄像技术成熟，价格较低，成像质量好，故成为夜视监控的主流，本文所采用的也是这种技术。然后对其工作原理、国内外现状和发展趋势做了简单介绍，并指出当前存在的缺点及不足。在此基础上本文提出研究设计具有高分辨率的近红外一体机镜头，旨在设计一种变焦镜头在有红外辅助光源时镜头焦点不偏移，从而保证不论是夜晚和白天都能获得同样清晰图像。 第一章概述了变焦距光学系统的相关理论和对变焦距光学系统设计方法进行探究。变焦距光学系统是一种焦距可以在一定范围内连续变化而像面保持稳定，并且在变焦距过程中像质保持良好的光学系统。在这章中首先介绍了几种类型的变焦系统的描述、变焦运动过程分析及变焦系统的高斯求解。机械补偿比光学补偿有更灵活的设计形式和更紧凑的结构，其中主要介绍了只有一个变倍组和一个补偿组的变焦距系统，及其高斯光学参数的求解。接着探讨了变焦系统鬼像的来源、危害及杂散光的常用的分析方法。 第二章讲述了高解析红外变焦一体机镜头的设计和优化的整个过程。首先根据实际需求和目前的技术给近红外摄像一体机提出了设计方案，确定了光学系统参数，并查阅现有的资料和专利，找出合适有潜力的结构作为初始结构。接着依靠ZEMAX辅助光学设计软件的强大功能优化设计出变倍比10×的近红外摄像一体机镜头。该系统采用机械补偿式，工作波长为0.486 μm-0.656 μm(可见光)和850 μm(近红外)、焦距为5～50mm、F＃最大值是2.4，实现了0.7视场其空间频率为501p/mm的调制传递函数均大于0.3，系统像面稳定、像质良好具有高解析的光学系统设计结果。最后给出了该变焦系统的凸轮曲线，将变倍组2的运动轨迹设计成非线形曲线，以降低凸轮爬升角，减小凸轮运动阻力。 第三章对变焦系统鬼像的分析进行了探讨。光学系统的杂散光在光机系统内由于多次残余反射会形成鬼像。对于变焦成像系统来说，由于面数较多、结构较为复杂更易在像面附近形成光晕或鬼像，从而影响了成像的锐度和对比度，降低了镜头的分辨率，干扰目标的识别；而且还由于变焦系统具有运动的结构，以至于难以进行全面的分析模拟。本章应用ASAP分析软件，模拟出变焦系统其镜头表面和光机内壁的散射模型，分别对系统在变焦过程的几种状态依次进行杂散光分析；通过大量的实际光线追迹，并对关键部件进行重点考察，为如何减小鬼点数目，减低鬼像的影响提供了详尽的数据参考；并以此为依据对变焦系统分别通过对改变二次反射所在面的曲率或改变所在面的折射率进行优化两种方法进行比较，得出优化时选择利用改变二次反射所在面的曲率，会更容易尽量保持非正常光线沿正常成像光线走向以达到降低鬼像的影响，以提高系统的成像质量。 第四章对本课题的工作进行了总结和展望。在变焦红外一体机镜头光学系统方面，本论文做了一定的研究工作，设计出了一种带有环境光探测装置的摄像镜头系统，可在弱光或无光环境下自动打开大功率的LED红外辅助照明，其宽谱线共焦成像特性保证了在日夜不同谱线条件下不产生像面漂移，都能同时清晰成像；并实现了0.7视场其空间频率为501p/mm的调制传递函数均大于0.3，具有优良的成像质量、较高的分辨率、较小的图像变形及10倍的变焦能力的光学系统设计结果，并对变焦系统的鬼像进行分析和优化。指出由于时间和条件的限制，所设计的光学系统还未能进行试制，并且在有些方面还需要做进一步的分析和研究。如光学系统的装配、凸轮的结构设计、产生鬼像的规律。

目录

文摘

英文文摘

声明

绪论

第一章理论简介

第一节变焦距光学系统概述

一、变焦距光学系统的基本概念和类型

二、变焦距系统的高斯解析

第二节杂散光分析原理

一、变焦系统杂射光的来源

二、杂散光的危害与常用的分析方法

第二章高解析近红外变焦一体机镜头的设计和优化

第一节前言

第二节光学系统参数的确定

第三节初始结构的选择

第四节光学系统像差的分析及优化

一、光学系统的像差分析

二、光学系统的设计优化过程

三、光学系统变焦设计结果

第五节光学系统的性能的评价

第六节高解析近红外变焦摄像镜头的凸轮曲线设计

第七节小结

第三章变焦镜头的鬼像分析

第一节杂散光模型仿真的原理

一、杂散光分析软件介绍

二、杂散光模型简介

第二节变焦系统的鬼像分析与优化

一、模拟原理

二、视场内散射光形成的鬼像的分析

三、对视场内散射光形成的鬼像的优化

四、视场外散射光形成的鬼像的分析优化

第三节小结

第四章结论与展望

参考文献

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

个人简历