高清摄像机镜头测试的探讨

前言 为完成2008年北京奥运会和2010年广州亚运会等转播任务,广东电视台组建一台大型的高清数字转播车。基于对高清设备选型等的需要,我台对各厂家的高清电视设备组织了一次较为全面的测试,被测试的设备主要有摄像机、镜头、录像机、切换台。本文主要探讨对高清摄像机镜头测试的方法和一些心得体会。     

高清摄像机镜头测试的探讨

主要探讨广东电视台为组建大型高清数字转播车进行高清设备选型时对高清摄像机镜头进行测试的方法和一些心得体会。     

用于交通监控系统的光学成像镜头的设计

设计一种用于交通监控系统的宽波段大孔径光学成像镜头,利用红外光的大气窗口,可在黑暗中或能见度不佳的环境中得到清晰的图像。为了对近红外光与可见光成像,采用CCD作为图像传感器,选用的CCD像元尺寸为4.65μm,其分辨率极限为110lp/mm。镜头的F数为1.6,视场角为16.8°,中心波长为880nm的近红外光,工作波段为400～1000nm。通过计算光学镜头的参数,选用松纳型作为镜头初始结构,通过软件优化,在110lp/mm空间频率处所有视场的调制传递函数(MTF)值超过0.3,最大畸变小于0.1%。     

摄像机镜头的光学特性比较

在整个电视系统中,如果把摄像机比喻为眼睛的话,那么光学镜头就好比是眼睛的角膜和晶状体,它将现实景物成像到感光器件上。然而在实际的情况下,与电视摄像机相类似的照相机镜头和电影摄影机镜头之间除了焦距和像场范围设计不同外,在成像的特性上摄像机镜头更有它的特点。在如今从标清电视提升到高清电视的过程中,我们对于几款镜头从数方面给予测试和评价,希望给大家认识光学特性有一个抛砖引玉的作用。     

同心反射式手机镜头相对照度改善方法

为了提高同心透镜的轴外视场照度，通过在同心透镜内部设置一个基于全内反射的虚拟光阑，可使系统的能量分布更加均匀，进而改善同心透镜的成像性能。结合虚拟光阑的建立条件以及手机镜头要求，计算了一个基于反射式同心透镜手机镜头的初始结构，优化后的系统焦距2.7 mm，最大视场角±50°，系统F数1.8，总长2.7 mm。照度分析结果表明，利用传统孔径光阑的手机镜头相对照度随视场增大逐渐下降，最大视场仅为0.64；采用虚拟光阑的手机镜头在0°～28°视场的相对照度保持不变，全视场的相对照度在0.85以上。可见，采用虚拟光阑的手机镜头全视场照度的均匀性得到了明显改善，可有效提高系统的成像性能。     

长焦距航空相机光学系统设计

航空相机是装载在飞机上用以拍摄地表景物来获取地面目标的光学仪器。为满足远距离摄影的要求,需要物镜有较长的焦距,以使远处的物体在像面上有较大的像。因此,设计了长焦距航空相机。设计焦距为550 mm,F数为6,视场2ω=9°的长焦距航空相机光学系统。在对长焦距航空相机的物镜进行设计时,首先,选取双高斯物镜作为初始结构。为了提高系统的像质,可使用ZEMAX对系统进行优化。对优化后的系统进行标准化及公差分析,最后得到符合要求的光学系统。该系统在每毫米80对线空间频率下,MTF大于0.15,具有良好的像质。     

基于虹膜识别的小畸变手机镜头设计

为了获得高质量的虹膜图像,采用光学设计软件ZEMAX设计了一款手机虹膜识别镜头,该镜头由4片塑料非球面透镜组成,工作距离为200~330mm,总长为4.09mm,F数为2.4。设计结果显示,工作距离为275mm时,镜头在1/2奈奎斯特频率处的调制传递函数大于0.4,光学畸变小于0.6%,相对照度大于83%。通过像质评价及公差分析可知,该光学系统的畸变小,可变工作距离大,像质优异且性能稳定,可以满足虹膜识别镜头的加工要求。     

高分辨率像方远心连续变焦投影镜头的设计

为了满足基于TIR棱镜的高分辨率工程投影机对高分辨率、高照度均匀性、长后工作距离及连续变焦投影的工作需求,设计了一种基于TIR棱镜的高分辨率像方远心连续变焦投影镜头。该镜头焦距为25~32 mm,F#为2.4,工作在可见光波段。该投影镜头具有靶面大、分辨率高、后工作距离长及照度均匀性高的设计难点,通过选择反远距的双高斯结构,控制像方远心度,通过采用不同材料搭配,并借助CODE V的玻璃专家优化功能,反复迭代优化,最终,得到满足使用要求的连续变焦投影镜头。结果表明:该镜头在连续变焦过程中各视场MTF值在72 lp/mm处不低于0.4,各视场RMS弥散斑直径小于8.5 m,畸变小于2%,短焦边缘视场照度均匀性大于95%。该连续变焦投影镜头采用全球面设计,结构紧凑,成像质量好,畸变、垂轴色差和照度均匀性都得到了较好的控制,可以很好地满足高分辨率工程投影机的投影需求。     

红外系统MTF测试仪技术分析

光学传递函数目前已经在像质评价方面占有主导地位,并已被广泛应用于控制光学设计过程及光学系统的检验。由于对光学传递函数的测量和计算日臻完善,已经进一步用于系统总体设计;在光信息处理中,频域上的处理经常用到光学传递函数的概念。本文主要介绍传递函数测试系统的几种典型方案,并简要讨论了其各自的优缺点。     

实现LED均匀照明的透镜设计

根据LED光源的特点,定义朗伯光源和近朗伯光源的函数,提出一种LED均匀照明的透镜设计方法。推导出产生均匀光斑的透镜设计方程,采用MATLAB求解该方程的数值解,可实现在目标区域内的均匀照明。     

数字式透镜调制传递函数测试系统设计

设计了一种数字式透镜调制传递函数(MTF)测试系统,分析了MTF测试算法,开发了CCD数据采集与处理系统,提供了用户操作界面;利用设计的测试系统,对已标定透镜的MTF值进行了测量,测试误差低于6%.     

一种用于机器视觉系统的双远心镜头设计

为了满足目前机器视觉工业在线检测提出的更高要求,本文给出了一种用于机器视觉系统的双远心镜头设计思路.首先,根据系统设计指标,确定较合适初始结构;然后,在双远心镜头成像原理和像差分析方法基础上,应用光学设计软件Zemax对系统像差反复优化设计,最终得到了一款具有高分辨率、低畸变及远心度小等特点的双远心镜头.该镜头系统由1...     

用于DLP投影系统的自由曲面TIR准直透镜设计

为了提高 DLP 投影照明系统中准直部分的准直度并简化准直光路,采用一种自由曲面的 TIR透镜作为 DLP 投影照明系统的准直器件.首先根据空间斯涅耳定律推导出反射曲面以及透射曲面母线上的点的坐标关系,并采用迭代的方法使用 Matlab 软件计算出母线上各个点的坐标并绘制出曲线图形,然后利用Pro/Engineer对TIR准直透镜进行建模得到TIR准直透镜的模型.分别用理想点光源和扩展光源进行模拟,经过TIR透镜准直后光束发散角在±7°以内,并根据选用的DMD芯片和LED光源选择合适的TIR透镜参数,建立DLP投影照明系统后进行模拟仿真,最终均匀度达到了90%,满足了投影照明系统的需求.     

用于室内照明的自由曲面均匀配光透镜设计

以非成像光学为基础,设计了一种在大发散角范围内均匀配光的大功率LED室内照明二次配光透镜方案。采用划分网格法建立光源LED和接收面的映射关系,推导透镜自由曲面面形的一般方程,采用差分法求解透镜面形方程获得面形轮廓数据,再用三维软件建立透镜模型,通过光学仿真软件对所建模型进行光线追迹。结果表明:此方案适用于40°～140°配光角度要求的均匀配光;仿真配光角度120°的照明系统,当透镜的口径与LED发光面直径之比大于等于10时,照明系统的均匀性优于0.9,能量利用率大于92%,且照明效果不受接收面高度的影响。该设计方法为实现大功率LED室内均匀照明系统的小型化和简单化提供了一种有效的途径。     

小型LTCC折叠线带通滤波器的设计

移动通信的发展使得滤波器趋于小型化,相应地就需要对传统的滤波器设计方法加以改进.LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)为滤波器小型化提供了良好的材料平台.此外,更为新颖的电路结构同样是解决小型化的重要因素.这里提出了三层折叠线,并给出了适于工程应用的设计公式.以此为基础设计了适用于GSM、Bluetooth、802.11a频段的带通滤波器.最后加工生产了一个实物样品.     

一款车载镜头设计

为了满足汽车倒车需求,设计了一款结构简单、生产成本低廉的广角倒车镜头。镜头为4片式结构,第1片为玻璃,其余3片为塑料,使镜头满足在恶劣环境下工作的要求。镜头F数为2.8,水平视场为185°,且实验结果显示边缘视场畸变得到较好控制。设计的镜头已经开始量产。     

DVD光学头读出物镜设计

DVD光学读数头是新一代的高密度光盘系统的核心部件。本文在分析并确定DVD光学头读出物镜的参数后,设计出了满足这种特殊要求的双面非球面读出物镜,并对系统的各元素误差的影响进行了分析。     

转折式高分辨率小孔径镜头设计

为辅助小型机器人的双目视觉系统,对中距离目标进行识别与定位,设计了一种安装在机械臂等狭窄空间内的小孔径镜头。在镜头光阑与第一个镜片之间加入反射镜将光路进行90°转折后可以使镜头的主光路与开孔表面平行以便于镜头的固定与安装。这种转折式小孔镜头的焦距长12 mm,最终设计结果的光学性能分析表明,其MTF在110 lp/mm的空间频率处满足要求,是一款能够与720 p高清芯片相匹配的高分辨率小孔镜头。