智能交通监控系统的光学成像镜头设计

王 琨，林 峰



智能交通监控系统的光学成像镜头设计

王 琨，林 峰

( 福建师范大学 光电与信息工程学院 医学光电科学与技术教育部重点实验室, 福州 350007 )

本文通过Zemax软件设计一款用于智能交通监控系统车牌识别的宽波段、大孔径、大靶面光学成像镜头。利用红外技术，保证在昏暗或夜间环境中仍然能够清晰成像。近红外中心波长为850 nm，采用Zemax多重组态设计，使可见光和近红外光共焦。根据消色差理论，选择合适材料组合消色差，最大焦面漂移量为44 μm。通过镜头应用参数分析，镜头F数设定为1.2，半视场角为13°，使用索尼ICX814一英寸CCD图像传感器，像元尺寸为3.7 μm×3.7 μm，全视场MTF值在空间频率135 lp/mm大于0.3。

光学设计；车牌识别；宽波段；消色差

0 引 言

随着交通系统的日益繁忙，智能交通监控系统的作用愈发突出。车牌识别是智能交通监控的重要部分，对车牌信息的实时清晰成像，将为公安交通管理部门提取违法车辆的信息提供可靠的证据[1]。车辆的抓拍与环境的亮度和能见度密切相关，在黑暗或者能见度不佳时，镜头成像的质量会大幅度下降甚至无法实现抓拍。在智能交通监控领域，具有日夜两用功能的高端镜头大多数由精工、Kowa、Computar等国外厂商占据，例如精工在2013年推出了2/3英寸(1英寸对角线长度为16 mm)靶面、最大光圈值F1.4、500万像素的多款智能交通专用镜头，不具备日夜共焦；Computar在2014年推出的M3518FIC-MPIR，光圈值为F1.8、靶面2/3英寸、500万像素，具有IR红外功能。国内涉及智能交通监控的厂商有舜宇光学、长步道光学、福特科等，产品指标大体与国外厂商一致。例如舜光学推出的SYC7050A，F数为1.4、1英寸靶面、500万像素，具有日夜功能；福特科推出的CM-(8MP)-1F12系列，F数达到1.2、靶面为1英寸、800万像素，但不具备日夜功能。总的来说，现在主流产品指标为靶面2/3英寸、F数多为1.4以上、500万像素。本文通过多重组态设计方法[8]，采用红外技术，设计了一款大孔径、大靶面的监控镜头。该镜头具有红外校正，分辨力达到900万像素，能够实现昼夜高清监控。同时该系统全部为球面设计，使用普通光学玻璃。

1 光学系统的设计优化

1.1 光学设计指标分析

我国城市道路主干道一般为双向六车道，每车道宽度3.5 m。车牌有标准统一的大小，即宽度为45 cm，高度为15 cm。车牌上单个字符宽45 mm，字符的笔画宽度为10 mm，第2字符与第3字符之间的间隙为34 mm，其他字符间隙为12 mm。车牌抓拍的图像大小会随CCD采集图像的时机[2]不同而产生一定比例的缩放，但是总体比例不会有太大变化。

该监控镜头用于拍摄单向三车道的范围，物距为25 m～35 m。采用索尼ICX814一英寸靶面CCD图像传感器，图1为它的光谱响应曲线，大靶面保证成像范围足够大，有效感光尺寸为12.8 mm×9.6 mm，像元大小为3.7mm×3.7mm。如图2所示，为拍摄车道半宽，为CCD成像面水平半宽，为物距，为水平半视场角。由三角关系得，，取=30 m，代入后得。根据图像传感器H :V :D=4 :3 :5的比例关系可以求得半视场角。再由像高与视场角的关系，焦距，代入求得mm，取焦距为35 mm，经过理论计算25 m～35 m范围该镜头都满足分辨力要求。

图1 光谱灵敏度特性

图2 物像关系

本文设计的监控镜头工作波长为可见光和近红外光，无论白昼或黑夜都能清晰成像。该镜头用于夜间监控时，采用主动的红外照明光源来对监控的目标补光[4]，保证亮度达到摄像机的成像要求。目前使用的红外灯的光谱线有两种，一种是有轻微红曝，波长是850 nm；一种是无红曝，波长在940 nm[4]。对于同一款摄像机，850 nm波长的感应度比在940 nm波长的感应度要好10倍。所以近红外光的中心波长选择850 nm。F数是相对孔径()的倒数，决定镜头通光量的大小。为保证镜头夜间近红外光的通光量，F数要较小。由于国内产品较少，参照日本精工推出的同类产品的技术指标，该镜头设计F数定为1.2，可以极大改善夜间的成像效果。畸变会导致成像的变形，为了能够准确的识别车牌上的字符，根据实际应用，要求设计畸变小于-2.5%。通过上述分析，确定该镜头的设计指标如表1所示。

表1 设计指标

Table 1 Design specification

1.2 初始结构优化

摄像镜头普遍采用天塞和双高斯结构，前者主要用于中等孔径；后者则用于大孔径中等视场[5]。由于设计指标F数1.2属于大孔径，所以寻找双高斯结构作为初始结构有益于后续优化。得到的初始结构图及MTF曲线如图3、图4所示。该结构的参数：焦距为35.5 mm，F数是1.28，视场角达到64°，接近设计指标。该初始结构为改良型的双高斯结构，不仅易于像差的校正，同时在装配上可以提高良品率。首先选择成都光明玻璃库，缩放焦距为35 mm，半视场角设为13°。设计波段有可见光和近红外光，采用多重组态设计，实现可见光与近红外光共焦。双胶合透镜有利于消球差和色差，同时胶合组也利于生产和装配。图3上看出第六面和第七面曲率及间距相差很小，可以将第三片和第四片胶合起来，增加胶合组还能简化整体结构。设置评价函数严格控制焦距和畸变，同时控制玻璃厚度与曲率，以及材料的折射率和阿贝系数等边界条件，将初始结构优化至稳定结构。

图3 初始结构

图4 MTF 曲线

1.3 光学材料的选择

色差是不同波长的光透过光学介质时，因色散不同而导致成像位置和成像倍率的不同。由于该镜头是宽波段成像，色差是影响成像质量的重要因素之一，因此必须消色差[7]。根据消色差理论，整个光学系统应满足[7]：

2 像质分析

选择合理的材料后，把握好各个视场及优化操作数的权重设置，通过全局优化和锤形优化，其成像质量得到很大的改善。优化后的光学系统结构如图5所示，图6所示为全波段场曲和畸变，最大畸变小于-2%，满足应用要求。

图5 光学系统结构

图6 场曲和畸变

图7分别为可见光和近红外光的MTF曲线。0.7视场内是镜头成像的主要区域，边缘视场的成像质量允许一定程度的下降。从图中可以看出，无论是可见光波段还是近红外光波段，在0.7视场内135 lp/mm处MTF值均大于0.32，分辨力较高。图8为两个波段的点列图，可以看出除了可见光波段边缘视场的弥散圆半径略大于像元尺寸3.7 μm，其余各视场的弥散圆半径均小于像元尺寸，满足设计要求。图9和图10所示是全波段色差曲线图与多色光焦点漂移图，0.486 μm、0.656 μm、0.850 μm三个波段在0.707孔径带基本交于一点，最大焦移量为44 μm，系统实现了消色差。

图7 MTF 曲线 (a) 可见光波段；(b) 近红外波段

图8 点列图 (a) 可见光波段；(b) 近红外波段

图9 色球差曲线

图10 焦点漂移图

3 公差分析

完成理论的光学设计后，产品投产前需根据实际的生产工艺和装配检测工艺的公差标准，进行合理的公差分配，以此保证产品的实际光学性能和良率。表2是该系统的公差要求。

表2 公差要求

Table 2 Tolerance requirements

以135 lp/mm的衍射平均值为评价标准，用Zemax进行公差分析后，影响较为严重的公差操作数如图11所示。从图中可以看出，对MTF影响最大的是第14到第19光学面的厚度偏差、第7和第16光学面的倾斜公差以及第1片与第9片透镜的偏心公差。生产加工时对这几个公差需要较为严格的控制，第14到第19光学面的厚度公差设置为±0.02 mm，同时对应倾角公差设为1.5′，偏心公差设为0.01 mm。再次进行公差分析，蒙特卡罗模拟后的MTF曲线及结果如图12及表3所示，分析结果为90%大于0.131 892 264，说明根据上述公差要求该光学系统的公差分配满足实际生产加工及装配要求。

图11 最敏感公差操作数

图12 蒙特卡罗MTF 曲线

表3 蒙特卡罗分析结果

Table 3 The results of Monte Carlo analysis

4 结 论

本文采用Zemax软件设计了一款大孔径、大靶面、具有红外校正的智能交通监控镜头。镜头的F数为1.2，靶面为1英寸。对光学系统的像质分析表明，可见光和近红外光在135 lp/mm都具有较高的分辨力，像差控制符合设计指标，镜头满足车牌识别的应用要求。经公差分析可知该镜头满足实际生产加工要求，并给出了生产中应着重管控的位置。所使用材料都为常见光学玻璃，全部为球面设计，具有较好的应用前景。

[1] 张治国. 智能交通中的道路监控摄像机 [J]. 智能建筑与城市信息，2008(9)：31-34.

ZHANG Zhiguo. The Road Surveillance Camera of Intelligent Transportation [J]. Intelligent Building & City Information，2008(9)：31-34.

[2] 敖卓森. 道路监控摄像机在ITS领域的应用 [J]. 中国交通信息产业，2009(5)：138-142.

AO Zhuosen. The Application of Road Surveillance Camera in ITS Field [J]. China its Journal，2009(5)：138-142.

[3] 庄振锋，王敏，陈荣. 宽光谱日夜两用摄像镜头设计 [J]. 光电子技术，2007，27(3)：171-173.

ZHUANG Zhenfeng，WANG Min，CHEN Rong. Design of a Day and Night Video Lens with Wide Spectral [J]. Optoelectronic Technology，2007，27(3)：171-173.

[4] 张继艳，黄元庆，熊飞兵，等. 宽光谱日夜两用鱼眼监控镜头的设计 [J]. 激光与红外，2013，43(12)：1389-1392.

ZHANG Jiyan，HUANG Yuanqing，XIONG Feibing，Design of a Wide Spectrum Day and Night Fisheye CCTV Lens [J]. Laser & Infrared，2013，43(12)：1389-1392.

[5] 张善华，陈慧芳，张海艇，等. 用于交通监控系统的光学成像镜头的设计 [J]. 激光与光电子学进展，2011，48(2)：68-72.

ZHANG Shanhua，CHEN Huifang，ZHANG Haiting，. Design of Optical Lens for Traffic Surveillance System [J]. Laser & Optoelectronics Progress，2011，48(2)：68-72.

[6] 李晓彤，岑兆丰. 几何光学·像差·光学设计 [M]. 杭州：浙江大学出版社，2003：124-132.

LI Xiaotong，CEN Zhaofeng. Geometrical Optics，Aberrations and Optical Design [M]. Hangzhou：Zhejiang University Press，2003：124-132.

[7] 刘莹奇，龙夫年. 宽光谱长焦距物镜的复消色差设计 [J]. 光学技术，2009，35(3)：419-421，425.

LIU Yingqi，LONG Funian. Optical design of Apochromatic Objective of Wide Spectral and Long Focal [J]. Optical Technique，2009，35(3)：419-421，425.

[8] 迟泽英，陈文建. 应用光学与光学设计基础 [M]. 南京：东南大学出版社，2008：330-333.

CHI Zeying，CHEN Wenjian. Applied Optics and Elements of Optical Design [M]. Nanjing：Southeast University Press，2008：330-333.

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

福建省科技厅重点项目(2013H0022)；福州市科技计划项目(2014-G-68)

王琨(1988-)，男(汉族)，福建建阳人。硕士研究生，主要从事光学设计方面的研究。E-mail: 419625206@qq.com。

林峰(1968-)，男(汉族)，福建龙岩人。高级工程师，主要从事光学设计方面的研究。E-mail: lfeng127@163.com。