论文总字数：16217字

目 录

摘要 I

Abstract II

1．引言 1

1．1 研究背景及意义 1

1．2设计任务及预期目标 1

2．原 理 1

2．1监控镜头 1

2．1．1光学系统设计 2

2．1．2广角镜头的设计 3

2．1．3监控镜头的分类 3

2．2像差理论及像质评价 4

2．2．1像差理论 4

2．2．2像质评价 8

3． 监控镜头仿真与分析 10

3．1初始结构及像差分析 10

3．2 像差校正与分析 14

４．总结 19

参考文献 20

致谢 21

基于ZEMAX的CCTV监控镜头的优化设计

傅嘉玮

，China

Abstract：CCTV monitoring system is widely used in hotels, shopping malls, museums, banks and other public places, in order to protect the national and personal property security, to protect the legitimate rights and interests of citizens from infringement and criminal investigators crime scene evidence which play an important role. CCTV lens is an important part of the monitoring system, it will take pictures of real-time transmission to the monitor, which the staff can keep abreast of the scene of the situation. In this paper, we use ZEMAX software to complete the optimal design of CCTV monitoring lens. The system focal length is 4mm, the maximum field angle is 2ω = 60 °, the number of F is 3, F, C and D, and 1/3 inch CCD is used as image receiver , The pixel size is 5um × 5um, the total length of optical is 20mm; due to the larger field of view, it need to correct the aberration of the camera, according to the characteristics of CCTV monitoring lens, allowing the existence of a certain field conditions under the conditions of the system has a higher resolution, At the end of this paper, the optimal target is about 80%, distortion is less than 20%, and the MTF of the system is more than 0.5 at 75lp / mm in whole field of view. The system has high resolution, large field of view and simple form, Compact structure, with practical value.

Key words: optical design; monitoring lens; ZEMAX

1．引言

1．1 研究背景及意义

CCTV系统应用于绝大多数公共场所，用来保障国家的安全，保证个人生命，财产的安全，维护人民的自主权利以免遭受危害同时在公安人员指证犯人犯罪的证据发挥着重要的作用。CCTV系统的发展分为三个阶段，最开始的时候是电视监控,然后发展成为PC插卡式的视频系统，这段时间被专业人士称为CCTV系统迈入数字时代的开始。到现在发展成为了以嵌入式技术为凭借，通过在线的形式、社交媒体，用高端图像分析在线视频系统为主。从此，在线视频的发展宣布监控系统正式迈入了数字时代。在现在的时代中监控系统不仅仅用于捕捉监控区域内的所有画面并传输到存储器中，现在更广泛的应用在远程视频，远程医疗等领域。

CCTV监控系统受到的重视越来越高，发展越来越好。就现在的时代来看，使用的范围越来越多，科学技术价值的越来越高。所有高新科技都可推动其进一步发展，特别是现在随着信息时代的来临，为其发展提供了更多的机会。安装监控系统的优势在于：1、每天二十四小时、无死角的监控，节约人力物力 2、监控录像，记录以后可以随时再次调出记录 3、限制监控区域人员的行为 4、让管理人员便于把握全部情况，可以了解生活、上班的具体情况 5、提升产出效率。CCTV监控系统现已广泛分布于各类大型超市、工厂、学校、市场及住宅小区楼等人员密集的公共场所等重要位置。

监控镜头是监控系统的重要组成部分，一般的监控镜头的像素和分辨率比电脑的视频头高，但是远差于专业的摄像录影镜头。根据要求，监控镜头要具有分辨率高，视场大的条件才能更好的应用于实践生活中。因此，设计一个高质量优秀的镜头将不仅仅应用在监控系统中，更加广泛的应用在我们的日常生活中。

本文的主要任务是利用ZEMAX软件来进行监控镜头的优化设计以达到预期的成像目标，以适用到实际生活当中。

1．2设计任务及预期目标

本论文的设计任务是利用ZEMAX软件完成CCTV镜头的优化设计。系统焦距为4mm，最大视场角2ω=60°，F数为3，F、C、D光，采用1/3 inch CCD作为图像接收器，像元大小为5um×5um，光学总长为20mm；由于视场较大，需校正轴外像差，根据CCTV监控镜头的特性，可以拥有一定的场曲的情况下使系统具有高分辨率，要求像面相对照度较好gt;85%，畸变lt;20%，系统MTF在接近0．7视场内75lp/mm处MTFgt;0．5。

2．原 理

2．1监控镜头

监控镜头指监控系统中的由多个透镜组成的镜头组，由于监控系统只是一个视频监视设备，镜头的像素和分辨率远远差于专业的照相机镜头。在CCTV监控系统中，最主要的设备为接受外界信息成像的透镜组及CCD（Charge Coupled Device）。CCD可以将光学图像信息转变为电信号并将电子储存，以达到存储图像的要求。成像镜头决定了视频所记录图像的质量，CCD决定了记录图像的分辨率。

广角镜头的焦距介于标准镜头和鱼眼镜头之间，它的视角较大，但是比鱼眼镜头稍微小一些。而广角镜头具有很大的视角，和视野宽阔基本特点。可以看到大范围的景象，可以在有限的镜头内包含更多的事物。因为其视角范围大，可以包含一般镜头无法包括的景象。拥有大视角的意义就是在同一观察点（与被摄物保持固定距离的情况下）用三种不同的镜头对景物进行拍摄时，广角往往要比其他镜头拍摄到更广的范围。

应用广角镜头进行摄录时，得到的图像能增强画面的立体感，也能轻易的分辨立体的感觉。视角较大，而景深也很深，能大概率的保证被拍物体的样子在图像上清晰可见；就是被拍下的物体的空间效果比较好，利于增强画面的感染力。当发生改变时，焦距越短变形越容易发生，在图像的周围可能会出现变形，这种变形能更好衬托拍摄主体。在同样的远近条件下，广角镜头能拍摄到的事物范围广阔巨大，便于拍摄者的使用。即使是在非常小的空间进行拍照，也能得到较大的画面。

2．1．1光学系统设计

ZEMAX软件的介绍：ZEMAX利用追踪光线的办法，来模拟各种产生的光学现象和各种序列非序列系统的建立和模拟软件。ZEMAX的功能强大，可以建模，优化，模拟，设计等等。同时ZEMAX使用起来，操作更加简便，快捷，易学，再有数据的基础上免去了计算的步骤，输入相应的数据，根据图像分析即可达到要求。因此ZEMAX软件是光学设计中非常重要的一种软件。本文应用到的功能主要是设计与优化，建立一个比较符合系统设计条件的初始模型，然后对其进行各种像差的优化以达到要求。

（1）初始数据的选取：

A. 根据基础光学知识建立下镜组大致结构，在使用像差理论分析各透镜像差，再选择合适的玻璃材料，剩余参数通过优化得到。

B. 根据已有的数据。分析此数据的大致结构，选择合适类似的透镜数据组。

像差的校正：

选好初始结构后，可以先通过计算得到初始像差曲线。通过该曲线可以了解到是哪些像差对系统造成了影响，再重点进行像差校正。

像质的评价：监控系统的成像质量与像差息息相关，应用ZEMAX设计的原因就是要校正像差，但不可能完全消除像差，只存在于理想的状态。因此需要对系统的成像质量进行总体评价。

（2）像差分析：

和其他实际生活中的镜头作比较，CCTV监控镜头属于视场较大的镜头，焦距大小要求不高，需要对轴外像差进行校正。而CCTV镜头存在的主要像差是与大视场相关场曲、畸变及像散。通常校正场曲的方法是：采取正、负透镜组分离的光学模型。畸变是一轴外物点引起的大像差，校正畸变时会对其他像差的校正产生影响。不过由于畸变不会影响成像的清晰度，也不影响实际拍摄的效果。所以，实际监控系统允许存在畸变。可以通过改变孔径光阑位置的方式，保证不会增加其它各种像差的条件下，尽量想办法改变畸变大小。必要时也可以通过操作数校正畸变。

2．1．2广角镜头的设计

前后两个透镜组组成,透镜组a,透镜组b

透镜组a:由自物侧至像侧的依序排列的第一球面透镜第二球面透镜与第三球面透镜组成,此三面透镜的屈光度依次为负负正

透镜组b:第一透镜组与该像侧之间,并有自该物侧至该像侧依序排列的第四球面透镜,第五球面透镜组成,两球面透镜屈光度为正正。

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