0 引 言
闭路监控电视（closed circuit television，CCTV）在公共场合如车站、机场、银行、学校等地应用广泛
[1~4]。对于CCTV镜头而言，其光圈（相对孔径的倒数）大小决定了镜头的通光量和清晰度。2012年，梁久伟
[5]设计了一款全景监控光学系统及结构，光圈达到1.6，视场达到180°，总长度66.7 mm；2013年，罗春华等
[6]设计了一款变焦安防镜头,光圈最大达到1.6，视场达到53°，总长度小于100mm；2014年，洪坚
[7]设计了一款变焦安防镜头，光圈最大达到1.6，总长度小于60 mm；Han
[8]设计了一款变焦CCTV镜头，其光圈可达到1.4，最大视场可达42°，总长度小于73.9 mm。但当前商用监控摄像头依然存在一些缺点，如镜头总长度较长，不易安装及使用；镜片数量过多、成本高；视野不够宽，监视范围不够广；光圈不够大，进光量不够多，视野较暗，不能实现日夜两用；未能实现大温度范围消热差，特别是当环境温度变化较大时，镜片材料热膨胀会导致成像质量严重下降。而对于一些环境比较严峻的场合，视野相对开阔、能见度低、环境温度变化大，又会导致成像不够清晰，甚至无法成像。
本文认为通过提高镜头光圈可以增大镜头的进光量，实现夜晚清晰成像；通过增大镜头的视场角，可以收集更大范围的光线，实现大范围监控；利用热膨胀系数高的塑胶材料，可以补偿镜头的热差，实现低温度漂移。
因此，本文设计了一款光圈为1.2，全视场为120°的监控摄像头。该镜头采用6片常用球面玻璃和2片常用非球面塑胶，实现了宽光谱消色差，提升了系统成像质量；减小了系统体积，提升了系统的稳定性，且公差要求满足现代加工水平。相比于目前市面上已有的监控镜头，本文所设计的监控镜头可稳定工作在光线暗、视野范围宽、温度变化大等恶劣环境中。
1 大光圈广角镜头
图1为一种大光圈广角监控镜头的结构，广角镜头为保证较大的视场角，通常采用反远距光路设计。
图1中不同颜色的线代表不同视场的光线，其光阑前组一般由一块弯月透镜、一块负透镜和一块正透镜组成，弯月透镜的作用是收集光线，负透镜的作用是增大镜头的后工作距离，减小主光线出射角（CRA），正透镜的作用是减小光线进入光阑的偏转角，以降低系统的公差敏感度，提升系统的稳定性。光阑后组一般由一组双胶合透镜和一块正透镜组成，双胶合的作用是校正轴上像差，正透镜的作用是减小CRA、补偿前组像差、补偿系统热差等。大光圈广角镜头是目前运用较广泛的CCTV镜头，但大光圈广角镜头依然无法做到日夜两用全彩成像。要做到日夜全彩成像，需要保证夜晚成像的清晰度。从镜头设计的角度上，可以通过增大镜头光圈来增大通光量，提高夜晚成像的清晰度和亮度，实现夜晚全彩成像，由此需要提高系统光圈。
2 超大光圈广角镜头设计
在常规的CCTV镜头设计中，为提高镜头光圈，需要不断增大镜头的相对孔径，而相对大的孔径会引入更大的高级像差。本设计在大光圈广角镜头的基础上，在光阑前组和后组分别加上一块氟磷玻璃正透镜。一方面，两块正透镜缩短了系统焦距，增大了系统的相对孔径，减轻了系统每片镜片的像差校正负担；另一方面，氟磷玻璃具有消二级光谱色差的优越性能，很好地矫正了短波色差。
2.1 设计参数
超大光圈广角日夜两用共焦监控镜头，是一种高通光量、大监视范围、日夜共焦成像质量高、温度漂移低的镜头，其设计要求如
表1所示。CMOS(complementary metal oxide semiconductor)传感器选用安森美AR0220型号，探测器尺寸为1/1.8″(16∶9)，像元大小为4.2 μm，根据奈奎斯特频率计算公式算得，该款CMOS的截止频率约为120 lp/mm。
2.2 初始结构
对于日夜共焦系统，若色差的矫正效果不佳，将会对整体的效果造成严重影响。对于本文设计的日夜共焦监控镜头而言，其成像范围是从可见光到近红外光，波段较宽，色差是影响成像质量的重要因素之一，因此色差的矫正需要着重考虑。而光学系统消色差的方法有优化透镜的光焦度、替换材料、更换系统的结构等。色差的矫正需要选取一个光焦度分配较为合理的初始结构，本文利用矫正短波色差需要的氟镧玻璃，并在其基础上进行初级像差的矫正。
初级像差，也称为三阶像差。系统的初级球差与孔径边缘高度成正比，初级轴向色差与孔径边缘高度的平方成正比，即相对孔径越大，系统的球差和轴向色差越大，尤其是相对孔径大的系统引入的高级球差会给系统成像质量的校正带来较大的难度。因此五组式大光圈镜头所含有的自由度已经不足以在满足光学参数的条件下矫正高级像差，由此需要引入新的变量来增加像差矫正自由度。为了减小镜头体积，增加优化自由度，提升镜头成像质量，通常会采用引入塑胶非球面的方式，通过调整非球面的曲面常数和非球面系数，最大限度地消除球差，在其基础上采用合理的光焦度分配和结构搭配，可以矫正轴外像差
[9，10]。
本文设计的超大光圈广角镜头初始结构如
图2所示。相比于大光圈广角镜头，超大广角广角镜头增加了第四、第七片透镜，增加系统的优化变量，减轻各透镜光焦度压力，以此来增加像差矫正的自由度。
2.3 材料的选取
受现代加工技术水平限制，非球面透镜一般选用塑胶材质。本文设计的超大光圈广角镜头所采用的两块非球面均为塑胶K26R(1.54,55.7)材质，具有低折射率和低阿贝数，可以补偿系统的二级光谱色差。第二片透镜采用FK系氟磷冕牌玻璃，与第三片ZLAF镧系重火石玻璃组合可以矫正系统的高级垂轴色差，利用塑胶透镜和玻璃透镜不同的温度特性进行补偿设计实现了大温度范围下的焦点温漂校正，使镜头可适应复杂的温度环境，能在不同环境条件下使用。最后一片透镜用H-K9L材料,通过镀膜处理,白天将其作为过滤波长为700~1 000 nm的近红外滤光片，滤掉红外光，让可见光成像，夜晚利用双滤光片切换器将其切换成白片让红外光成像，以此实现日夜全彩清晰成像。
2.4 结构优化
利用Zemax软件进行优化，优化
[11~13]步骤如下:
1） 调整初始结构。
2） 评价函数编辑器中添加EFFL、TOTR、TTHI、RAID、OPLT、OPGT等操作数限制镜头的F数、总长、后截距、CRA、焦距。考虑镜头的加工技术，添加MNCG、MXCG、MNEG、MXEG等操作数，约束所有透镜厚度均不小于1 mm，后截距大于5 mm。
3） 多重结构编辑器中添加TEMP操作数，设置三个组态的温度分别为40 ℃，20 ℃和80 ℃。
4） 添加COLT、COGT操作数控制非球面圆锥系数在之间。
5） 将曲率半径，部分空气间隔，非球面的圆锥系数、四阶项、六阶项等高阶项设置为变量。
3 超大光圈广角镜头
3.1 镜头结构
优化过程中改变各个操作数、视场的权重，经过ZEMAX自动优化，最终确定我们的系统。超大光圈广角监控镜头结构如
图3所示。
图3中第一透镜的前表面为凹面，容易造成积水积灰等问题，可以在镜头前加入平面保护玻璃。
图3中，第二片透镜的材料为氟磷玻璃H-FK61，氟磷玻璃在长波部分相对色散小，绿光（546.1 nm）部分相对色散及短波部分相对色散大，可以校正短波色差。氟磷玻璃作为光焦度为负的双凹透镜，可以增加镜头的后工作距离，减小镜头的CRA。该镜头中双胶合透镜的材料采用H-ZF71和H-ZLAF55D，这两种材料的折射率基本保持一致，阿贝数相差大，能够校正初级光谱色差。系统第四片和第八片透镜采用塑胶非球面，材料均为K26R。靠近光阑位置采用非球面可以有效校正光学系统的高级轴上像差，远离光阑位置采用非球面可以有效校正光学系统的轴外像差。整个光学系统结构紧凑，镜片材料常见，经济性高。
表2为优化后的系统结构参数。
3.2 设计分析
超大光圈广角监控镜头的相对孔径为1/1.2，视场角，焦距 mm。下面给出超大光圈广角监控镜头的像质评价曲线。
超大光圈广角监控镜头的相对照度图如
图4所示。由
图4可知，全视场内的相对照度较高，表明镜头具有较大的通光量，可工作在光线较暗的环境中。畸变图如
图5所示，可见广角镜头镜头畸变较大，但可通过算法进行校正。
时的调制传递函数（MTF）如
图6所示，像差曲线图如
图7所示。可以看到，
时，轴上视场MTF@120 lp/mm大于0.5，全视场MTF@120 lp/mm大于0.3。
20 ℃时的调制传递函数（MTF）如
图8所示，像差曲线图如
图9所示。可以看到，20 ℃时，轴上视场MTF@120 lp/mm大于0.5，全视场MTF@120 lp/mm大于0.35。
80 ℃时的调制传递函数（MTF）如
图10所示，像差曲线图如
图11所示。可以看到，80 ℃时，轴上视场MTF@120 lp/mm大于0.3，全视场MTF@120 lp/mm大于0.2。
系统在
40~80 ℃范围内，可见光波段下垂轴像差小于0.04 mm，红外950 nm波长下垂轴像差小于0.12 μm，允许红外成像质量下降。图
6~
11表明该镜头在可见光和红外光波长下工作时有较高的成像质量，日夜共焦性好
[14~16]。
时系统的MTF离焦曲线图如
图12所示，
时系统的MTF离焦曲线图如
图13所示。可以看到，系统在
范围内，温度变化带来的MTF离焦曲线变化很小，实现了低温度漂移。表明该镜头可以工作在温度变化大的恶劣环境中。
4 公差分析
光学系统在成像质量良好的同时,还要满足现有的加工制造水平要求。
在完成光学系统设计后，需要利用ZMEAX软件的公差分析功能,将系统的MTF值作为公差敏感度,得到公差分析最终结果为：镜头各表面的曲率半径公差为±2 fringes；各表面的厚度公差为±0.01 mm；各表面的偏心公差为±0.01 mm；元件的偏心公差为±0.01 mm；满足现有的实际加工水平。
利用蒙特卡罗分析法,设定500组随机误差数。结果表明,引入误差后该监控镜头98%以上的蒙特卡罗样本MTF值大于0.2,符合工业生产要求
[17]。蒙特卡洛分析数据见
表3。蒙特卡洛分析图如
图14所示。
5 结 语
本文提出了一种超大光圈广角的日夜共焦监控镜头，并利用Zemax软件进行优化，得到超大光圈、广角、低温度漂移、高成像质量镜头，相对孔径可达1/1.2，全视场角为120°，焦距为5 mm，总长小于32 mm。波长范围436~950 nm，实现白天可见光成像，夜晚红外光成像，且日夜共焦性好，实现日夜两用全彩成像。在下实现低温度漂移，使镜头可以工作在温度变化大的环境中。本设计在满足成像要求的前提下，公差分析标准满足现代加工水平，可广泛用于安防领域。
湖北民族大学高水平科研成果校内培育项目(PY21005)
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