智能安防系统全景拼接高空监控镜头光学设计

柳晓娜

（1.中电海康集团有限公司，浙江 杭州 310012；2.凤凰光学科技有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

智能安防系统中，利用全景镜头和相关技术可以获得水平方向上180°或360°、垂直方向一定视场角度的画面，这种成像方式能提供环境全方位信息，减少视野盲区。

获得全景画面一般有如下几种方式： 一是使用单颗鱼眼镜头获取180°视野，如图1a）所示；二是使用两颗鱼眼镜头背靠背组装获取360°视野，如图1b）所示；三是使用反射镜加折射式广角镜组合方式，如图1c）所示；四是使用多颗广角镜头进行画面拼接，如图1d）所示。 前三种方式畸变量都很大，容易造成画面细节丢失，且对组装精准度要求高。 第四种方式需要多颗镜头模组，成本增加，但由于拼接的画面像素数增多， 大幅提高了画面解析力， 而且还可以搭配光学变倍摄像头进行远近景高清切换， 达到高清全景与局部细节兼得的目的。

图1 全景摄像头的种类Figure 1 Types of panoramic cameras

本文主要针对第四种全景获取方式中的广角镜头光学设计进行研究。此镜头可应用在智能安防系统中的鹰眼系列相机上，实现多颗镜头全景拼接的功能，对公共场所越界、区域入侵、徘徊、停车、人员聚集和快速移动等事件进行侦测，有很重要的研究意义。

1 鹰眼全景相机种类及主要性能要求

以某安防企业为例，鹰眼系列相机产品分为三大类，分别为球型鹰眼、碗型鹰眼和环型鹰眼。

其中球型鹰眼相机有两种。 一种是800 万像素、由4 个水平摄像机拼接+1 个跟踪球机构成，可以满足水平180°、垂直80°的视场角；另外一种是1600 万像素、 由8 个水平摄像机拼接+1 个跟踪球机构成， 其中每个水平排列的摄像机镜头焦距为5mm，光圈 2.0，可以实现水平 360°、垂直 80°的视场角。 下端放置的高清球机摄像头可达37 倍光学变焦，光圈数可在1.5～4.5 之间变换，负责联动定位和自动跟踪功能。此类型相机将传统的拼接画面与特写跟踪画面进行一体化融合，充分提升全景分辨率的同时，兼具更好的跟踪联动效果。

碗型鹰眼相机由7 个水平摄像机+1 个垂直摄像机构成， 实现1600 万像素解析和水平360°、垂直180°视野。 通过鼠标可任意角度放大、拖动和旋转，相对传统多摄拼接方案，无需视频拼接服务器，减少了硬件成本。

环型鹰眼相机由4 个水平摄像机拼接， 实现800 万像素解析，水平 180°、垂直 84°的视野，没有球机或垂直相机进行联动， 所使用镜头焦距为5mm，光圈2.0 的镜头，硬件简单，减少了成本。

2 镜头光学设计

2.1 参数指标

鹰眼相机安装在室外高处，镜头设计时工作距离一般设置为5m～∞，且室外工作对摄像头耐候性有极高要求，要在严寒酷暑的工作环境中保证清晰成像，所以需特别注意温度补偿设计。

为实现800 万像素或1600 万像素效果， 一般会选用1/1.8′′英寸200 万像素的芯片进行拼接，这样可大幅降低设计难度和成本。设计光谱为可见光420nm～650nm 和近红外光850nm 波段且两波段共焦，可实现日夜工作的目标要求，同时相对照度大于45%时，能使画面亮度均匀。

根据全景拼接镜头的使用场景要求，给出的镜头光学设计参数指标如表1 所示。

表1 镜头光学参数指标Table 1 Lens optical parameters request

2.2 优化设计

本文使用最小二乘优化法，设计了一种光学结构，具体方案如图2 所示。

图2 优化设计后的光学结构Figure 2 Optical structure after optimization design

第一枚镜片设计成光焦度为负的凸凹镜片，尽量收纳大角度的光线，扩大视场角；第二枚镜片设计成光焦度为负的双凹镜片，可以分摊第一枚镜片的光焦度并收敛光线角度，减小后面镜片的直径尺寸；第三枚镜片设计成正光焦度的双凸镜片；第四枚镜片设计成正光焦度的双凸镜片；第五枚镜片设计成负光焦度的双凹镜片；第六枚镜片设计成光焦度为正的双凸镜片， 与第五枚镜片胶合在一起，可以校正色差；第七枚镜片设计成正光焦度的双凸镜片；第八枚镜片设计成正光焦度的双凸镜片。 镜片材料的选择为一般常见的冕牌玻璃和火石玻璃，没有使用高折射率或高阿贝数的特殊玻璃，这样可以进一步降低镜头成本，使用的光学玻璃材料和镜头光学结构参数如表2 所示。

表2 镜头光学结构参数Table 2 Optical structure parameters

3 设计评定

根据表1 镜头光学参数指标进行设计评定，半像高4.59°时，相对照度RI 为49%，满足要求，如图3 所示。

图3 相对照度图Figure 3 Relative illumination curve

空间频率为 150lp/mm 时， 可见光 420nm～650nm 波段中心视场 MTF＞0.5， 边缘视场 MTF＞0.4；近红外光 850nm 中心视场 MTF＞0.4，边缘 0.7视场 MTF＞0.3，均满足 MTF 的性能要求，如图 4 和图5 所示。

图4 可见光 MTF 解析图Figure 4 Analysis of visible light MTF

图5 近红外光MTF 解析图Figure 5 Near infrared MTF analysis

低温-40℃时不同视场MTF 仍大于0.4（空间频率为150lp/mm），满足性能参数要求，如图6 所示。

图6 温度-40℃的焦点漂移曲线Figure 6 Focus drift curve at the temperature -40℃

高温80℃时不同视场MTF 仍大于0.4（空间频率为150lp/mm），满足性能参数要求，如图7 所示。

图7 温度80℃的焦点漂移曲线Figure 7 Focus drift curve at the temperature 80℃

4 公差分析

光学设计好坏的评定标准除了性能参数需满足要求，镜片加工性和镜头组装良率也是重要评价因素。 按照近轴后焦距作为补偿参数、 空间频率150lp/mm 的设置， 将光学结构中的镜片厚度和空气间隔设置为±0.03mm，元件组装偏芯和倾斜分别设为±0.01mm 和±0.1°，选取中心视场和边缘 0.7 视场进行蒙特卡罗分析，评价衍射极限MTF。 从表3中可以看出，满足空间频150lp/mm 和MTF＞0.4 的概率在90%以上，达到量产良率要求。

表3 蒙特卡罗分析结果Table3 Analysis results of Monte Carlo

5 结语

本文设计一种智能安防系统的全景拼接光学镜头结构，使用8 片球面玻璃镜片及常用冕牌玻璃和火石玻璃， 最大程度降低了成本， 实现了光圈2.0、空间频率 150lp/mm 时全视场 MTF 大于 0.4，且满足可见光与近红外光共焦的要求；工作环境温度在-40℃～80℃的范围变化时， 仍能保证解析清晰；经过蒙特卡罗公差分析，MTF 符合要求的良率在90%以上，达到量产要求。 此镜头应用在鹰眼相机产品上，在智能安防系统中有着广泛的应用前景。