CN107643591B - 一种反衰减透雾可见光镜头及实现方法 - Google Patents
一种反衰减透雾可见光镜头及实现方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种反衰减透雾可见光镜头及实现方法，光学***中，光线自前向后入射，依次设有光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、光焦度为负的补偿组、光焦度为正的后固定组和截止滤光组，当摄像机在雾天使用时，成像光线为近红外光，所以增加了0.76um‑0.9um透雾滤光片。当摄像机在白天使用时，成像光线为可见光，不能使用0.76um‑0.9um透雾滤光片。在0.76um‑0.9um透雾滤光片切换过程中，成像面的位置发生变化，为了消除这种变化增加了补偿光程片。通过光学透雾和电子透雾两种方法相结合，实现了真正的透雾处理，镜头设计通用简单，电子处理采用了最先进的透雾算法，具有较好的推广普及型。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种反衰减透雾可见光镜头及实现方法，可在有雾天环境下获取清晰图像。
背景技术
随着日常环境的日益恶化，在雾霾天气下，以普通镜头为主的视频监控***所监控到的图像对比度变低，色彩变暗，图像衰减严重，影响了对目标的观测效果，无法有效对目标细节进行识别观测。
视频监控摄像机的发展不仅要求在良好环境下观测效果“看得清”、“看得远”。更要求在雾霾环境下具有同等的探测能力和清晰度。常用的透雾方法有两种：一种是光学镜头透雾设计，就是利用近红外线(波长0.76μm—1.1μm)绕射微小颗粒的原理，来提升画面清晰度。一种是图像处理透雾技术，主要是通过各种算法对采集到的图像进行质量改善。结合两种方法，才能实现真正的透雾，而如何在长焦镜头上高效提升远程观测透雾质量是其关键。
发明内容
本发明提供一种便于调整、结构简单的反衰减透雾可见光镜头，在雾霾天气下，通过光学结构，防止光信号衰减，增大了相对孔径和减少场曲，像面照度增大，使图像更加清晰，提升长焦镜头远距离观测透雾质量。
本发明的另一目的提供了该反衰减透雾可见光镜头的实现方法，在对镜头进行光学透雾调整后，再对图像进行电子透雾调整，实现真正的透雾。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种反衰减透雾可见光镜头，该反衰减透雾可见光镜头的光学***中，光线自前向后入射，依次设有光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、光焦度为负的补偿组、光焦度为正的后固定组和截止滤光组；所述前固定组由自前向后依次设置的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜组成，其中第一负透镜和第一正透镜胶合在一起；所述变倍组由自前向后依次设置的第一弯月透镜、第一双凹透镜、第一双凸透镜和第二双凹透镜组成，其中第一双凸透镜和第二双凹透镜胶合在一起；所述补偿组由自前向后依次设置为第三正透镜、第三负透镜、第四正透镜和第五正透镜组成，其中第三负透镜和第四正透镜胶合在一起；所述后固定组由自前向后依次设置的第三双凹透镜、第二双凸透镜、第二月牙透镜、第三月牙透镜和第三双凸透镜组成，其中第三双凹透镜和第二双凸透镜胶合在一起，第三月牙透镜和第三双凸透镜胶合在一起；所述截止滤光组包括自上向下依次设置为近红外截止滤光片和补偿光程片；所述前固定组和变倍组之间的空气间隔为4mm～138.7mm，补偿组与后固定组之间的空气间隔为62.99mm～11.25mm，并在补偿组与后固定组之间设有光阑,后固定组与截止滤光组之间空气间隔为30mm；所述变倍组沿光轴前后运动，补偿组沿光轴前后运动，变倍组和补偿组运动方向相反，所述近红外截止滤光片和补偿光程片分别设置有滤光片移动装置和限位开关，截止滤光组沿垂直光轴方向上下运动，当在白天使用时将补偿光程片移入光路中，当雾天使用时将近红外滤光片移入光路中。
进一步地，所述前固定组中胶合的第一负透镜、第一正透镜与第二负透镜之间的空气间隔为4mm,第二负透镜与第二正透镜之间的空气间隔为4.3mm，所述变倍组中第一弯月透镜与第一双凹透镜之间的空气间隔为2.6mm，第一双凹透镜与第一双凸透镜和第二双凹透镜胶合透镜中，第一双凸透镜之间的空气间隔为2.6mm，所述补偿组中第三正透镜与第三负透镜和第四正透镜胶合透镜中第三负透镜之间的空气间隔为0.35mm，第五正透镜与胶合透镜中第四正透镜之间的空气间隔为0.3mm，所述后固定组中胶合透镜第三双凹透镜、第二双凸透镜前面设置光栏，胶合透镜中第二双凸透镜与第二月牙透镜之间的空气间隔为13.9mm，第二月牙透镜与胶合透镜第三月牙透镜和第三双凸透镜中第三月牙透镜之间的空气间隔为1.58mm。
所述近红外截止滤光片为0.76um-0.9um透雾滤光片。
上述反衰减透雾可见光镜头的实现方法，为了解决雾天环境下，长焦摄像机远距离监控目标的要求，从光学透雾和电子透雾两方面进行如下图像处理：
其中，光学透雾方面，为满足高清摄像机分辨率的要求，根据雾天像面照度的数学模型设计镜头，数学模型为：
式中为g(λ)天空的光圈函数，Eα(λ)为大气散射系数，β为目标距离为0时的光照度，EF(λ)为环境光照度，d为目标距离，选用超低色散光学材料，使其内部透过率大于98％；使镜头能在宽光谱范围内成像；选择波长0.76—0.9μm透雾滤光片进行像差校正，使镜头在近红外波段形成形成满足高清摄像机的分辨率要求；
像差的评定根据雾天目标对比度的特性，提高物镜的结像力，低频部分的MTF大于90％，中频部分MTF大于80％，高频部分MTF大于30％，实现雾天成像质量优良，同时，为了满足白天成像的要求，对F光D光C光进行了像差校正，
在光学零件上镀制超宽带增透膜，提升0.47um-0.9um波段范围的透过率，防止光信号衰减，增大了相对孔径和减少场曲，像面照度增大，使图像更加清晰，所以前固定组的焦距F1＇焦距为174.39mm，对于变焦***而言变焦倍率g为：
式中βB和βB′为变倍组的变化前和变化后的放大倍率,βc和βc′是补偿组的变化前和变化后的放大倍率；变倍组的焦距为F2＇＝-16.94mm；补偿组的焦距F3＇＝41.39mm；
在光学***设计时像面照度为：
E(λ)＝E0(λ)×T0(d)×B(λ)
式中T0(d)为雾天大气透过率，B(λ)为光电转换器件的光谱响应系数，E0(λ)为雾天像面照度；
电子透雾方面，在摄像机主视频处理芯片上进行图像信号处理，利用算法调整图像质量；
首先采集图像信号，并对视频信号进行光电信号转换，通过3A算法及控制电路对自动曝光、自动聚焦和自动白平衡不间断进行统计评测，采集数值信息；
然后提取采集到的图像直方图信息，根据直方图变化趋势，判断直方图分布情况以及环境雾霾浓度情况，利用直方图均衡化算法调整图像灰度值；
最后运用何氏暗通道去雾算法对图像进行整体透雾调整，通过雾图形成模型：
I(x)＝J(x)T(x)+A(1-T(x))
式中I(x)为透雾前图像，J(x)为透雾后图像，T(x)为透射率，A为大气光成分；进行图像恢复处理，图像恢复公式如下：
图像恢复处理后，输出图像显示。
本发明有益效果：本发明提供了一种长焦镜头反衰减透雾镜头设计及实现方法。通过光学透雾和电子透雾两种方法相结合，实现了真正的透雾处理，镜头设计通用简单，电子处理采用了最先进的透雾算法，具有较好的推广普及型。
在光学零件上镀制超宽带增透膜，提升0.47um-0.9um波段范围的透过率，防止光信号衰减；光路***增加消杂光光栏；光路计算时减少杂光进入成像光路和减少渐晕。
当摄像机在雾天使用时，成像光线为近红外光，所以增加了0.76um-0.9um透雾滤光片。当摄像机在白天使用时，成像光线为可见光，不能使用0.76um-0.9um透雾滤光片。在0.76um-0.9um透雾滤光片切换过程中，成像面的位置发生变化。为了消除这种变化增加了补偿光程片。
随着CCD或CMOS、工艺制作水平的提高，像素点大小可以做到几微米，这就要求镜头分辨率要高，即在高频部分的MTF应大于0.3。本发明在光学***设计时像面照度为：
E(λ)＝E0(λ)×T0(d)×B(λ)
这样能提高亮度较低的目标成像的对比度，降低了图像信号处理负担。
附图说明
图1为正常环境状态光学***图。
图2为短焦距状态光学***图。
图3为中焦距状态光学***图。
图4为长焦距状态光学***图。
图5为正常环境模式MTF曲线图。
图6为透雾环境模式MTF曲线图。
图7为图像处理数据流程图。
具体实施方式
如图1-4所述的一种反衰减透雾可见光镜头，该反衰减透雾可见光镜头的光学***中，光线自前向后入射，依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为负的补偿组C、光焦度为正的后固定组D和截止滤光组E；所述前固定组A由自前向后依次设置的第一负透镜A-1、第一正透镜A-2、第二负透镜A-3、第二正透镜A-4组成，其中第一负透镜A-1和第一正透镜A-2胶合在一起；所述变倍组B由自前向后依次设置的第一弯月透镜B-1、第一双凹透镜B-2、第一双凸透镜B-3和第二双凹透镜B-4组成。其中第一双凸透镜B-3和第二双凹透镜B-4胶合在一起；所述补偿组C由自前向后依次设置为第三正透镜C-1、第三负透镜C-2、第四正透镜C-3和第五正透镜C-4组成。其中第三负透镜C-2和第四正透镜C-3胶合在一起；所述后固定组D由自前向后依次设置的第三双凹透镜D-1、第二双凸透镜D-2、第二月牙透镜D-3、第三月牙透镜D-4和第三双凸透镜D-5组成，其中第三双凹透镜D-1和第二双凸透镜D-2胶合在一起，第三月牙透镜D-4和第三双凸透镜D-5胶合在一起；所述截止滤光组E包括自上向下依次设置为近红外截止滤光片E-1和补偿光程片E-2；所述前固定组A和变倍组B之间的空气间隔为4mm～138.7mm，补偿组C与后固定组D之间的空气间隔为62.99mm～11.25mm,并在补偿组C与后固定组D之间设有光阑F，后固定组D与截止滤光组之间空气间隔为30mm；所述变倍组B沿光轴前后运动，补偿组C沿光轴前后运动，变倍组B和补偿组C运动方向相反，所述近红外截止滤光片E-1和补偿光程片E-2分别设置有滤光片移动装置和限位开关，截止滤光组沿垂直光轴方向上下运动，当在白天使用时将补偿光程片E-2移入光路中，当雾天使用时将近红外滤光片E-1移入光路中。
所述前固定组A中胶合的第一负透镜A-1、第一正透镜A-2与第二负透镜A-3之间的空气间隔为4mm,第二负透镜A-3与第二正透镜A-4之间的空气间隔为4.3mm，所述变倍组B中第一弯月透镜B-1与第一双凹透镜B-2之间的空气间隔为2.6mm，第一双凹透镜B-2与第一双凸透镜B-3和第二双凹透镜B-4胶合透镜中，第一双凸透镜B-3之间的空气间隔为2.6mm，所述补偿组C中第三正透镜C-1与第三负透镜C-2和第四正透镜C-3胶合透镜中第三负透镜C-2之间的空气间隔为0.35mm，第五正透镜C-4与胶合透镜中第四正透镜C-3之间的空气间隔为0.3mm，所述后固定组中胶合透镜第三双凹透镜D-1、第二双凸透镜D-2前面设置光栏，胶合透镜中第二双凸透镜D-2与第二月牙透镜D-3之间的空气间隔为13.9mm，第二月牙透镜D-3与胶合透镜第三月牙透镜D-4和第三双凸透镜D-5中第三月牙透镜D-4之间的空气间隔为1.58mm。
所述近红外截止滤光片为0.76um-0.9um透雾滤光片。
在本实施中所述变倍组B沿光轴前后运动，补偿组C沿光轴前后运动。变倍组B和补偿组C运动方向相反。配置有滤光片移动装置和限位开关，截止滤光组沿垂直光轴方向上下运动。当在白天使用时将补偿光程片E-2移入光路中，当雾天使用时将近红外滤光片E-1移入光路中。
该反衰减透雾可见光镜头的实现方法，为了解决雾天环境下，长焦摄像机远距离监控目标的要求，从光学透雾和电子透雾两方面进行图像处理：
其中，光学透雾方面，为满足高清摄像机分辨率的要求，根据雾天像面照度的数学模型设计镜头，数学模型为：
式中为g(λ)天空的光圈函数，Eα(λ)为大气散射系数，β为目标距离为0时的光照度，EF(λ)为环境光照度，d为目标距离，选用超低色散光学材料，使其内部透过率大于98％；使镜头能在宽光谱范围内成像；选择波长0.76—0.9μm透雾滤光片进行像差校正，使镜头在近红外波段形成形成满足高清摄像机的分辨率要求；
像差的评定根据雾天目标对比度的特性，提高物镜的结像力，低频部分的MTF大于90％，中频部分MTF大于80％，高频部分MTF大于30％，实现雾天成像质量优良，同时，为了满足白天成像的要求，对F光D光C光进行了像差校正，
在光学零件上镀制超宽带增透膜，提升0.47um-0.9um波段范围的透过率，防止光信号衰减，增大了相对孔径和减少场曲，像面照度增大，使图像更加清晰，所以前固定组的焦距F1＇焦距为174.39mm，对于变焦***而言变焦倍率g为：
式中βB和βB′为变倍组的变化前和变化后的放大倍率,βc和βc′是补偿组的变化前和变化后的放大倍率；变倍组的焦距为F2＇＝-16.94mm；补偿组的焦距F3＇＝41.39mm；
在光学***设计时像面照度为：
E(λ)＝E0(λ)×T0(d)×B(λ)
式中T0(d)为雾天大气透过率，B(λ)为光电转换器件的光谱响应系数，E0(λ)为雾天像面照度；
电子透雾方面，在摄像机主视频处理芯片上进行图像信号处理，利用算法调整图像质量；
首先采集图像信号，并对视频信号进行光电信号转换，通过3A算法及控制电路对自动曝光、自动聚焦和自动白平衡不间断进行统计评测，采集数值信息；
然后提取采集到的图像直方图信息，根据直方图变化趋势，判断直方图分布情况以及环境雾霾浓度情况，利用直方图均衡化算法调整图像灰度值；
最后运用何氏暗通道去雾算法对图像进行整体透雾调整，通过雾图形成模型：
I(x)＝J(x)T(x)+A(1-T(x))
式中I(x)为透雾前图像，J(x)为透雾后图像，T(x)为透射率，A为大气光成分；进行图像恢复处理，图像恢复公式如下：
图像恢复处理后，输出图像显示。
由上述镜片组成的光学***达到如下的光学指标：
1、焦距：f’＝85mm～850mm
2、变焦倍率:10X
3、最大相对孔径:D/F＝1/6
4、最大视场角：2W＝0.6°～6°
5、透雾滤光片透过光谱：0.76um-0.9um
在本实施中，图像通过镜头进入传感器进行光电转换，3A算计及控制电路对3A信息不间断进行统计评测。直方图均衡算法对图像进行直方图分布计算，对图像灰度进行调整。调整后的图像再由何氏暗通道去雾算法处理，处理后即可输出图像。通过图5正常环境模式MTF曲线图和图6透雾环境模式MTF曲线图对照可以看出，雾天镜头成像效果接近没雾环境的成像质量，实现了真正的透雾处理。
Claims (4)
1.一种反衰减透雾可见光镜头，其特征在于：该反衰减透雾可见光镜头的光学***中，光线自前向后入射，依次设有光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、光焦度为负的补偿组、光焦度为正的后固定组和截止滤光组；所述前固定组由自前向后依次设置的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜组成，其中第一负透镜和第一正透镜胶合在一起；所述变倍组由自前向后依次设置的第一弯月透镜、第一双凹透镜、第一双凸透镜和第二双凹透镜组成，其中第一双凸透镜和第二双凹透镜胶合在一起；所述补偿组由自前向后依次设置为第三正透镜、第三负透镜、第四正透镜和第五正透镜组成，其中第三负透镜和第四正透镜胶合在一起；所述后固定组由自前向后依次设置的第三双凹透镜、第二双凸透镜、第二月牙透镜、第三月牙透镜和第三双凸透镜组成，其中第三双凹透镜和第二双凸透镜胶合在一起，第三月牙透镜和第三双凸透镜胶合在一起；所述截止滤光组包括自上向下依次设置为近红外截止滤光片和补偿光程片；所述前固定组和变倍组之间的空气间隔为4mm～138.7mm，补偿组与后固定组之间的空气间隔为62.99mm～11.25mm，并在补偿组与后固定组之间设有光阑,后固定组与截止滤光组之间空气间隔为30mm；所述变倍组沿光轴前后运动，补偿组沿光轴前后运动，变倍组和补偿组运动方向相反，所述近红外截止滤光片和补偿光程片分别设置有滤光片移动装置和限位开关，截止滤光组沿垂直光轴方向上下运动，当在白天使用时将补偿光程片移入光路中，当雾天使用时将近红外滤光片移入光路中。
2.如权利要求1所述的反衰减透雾可见光镜头，其特征在于：所述前固定组中胶合的第一负透镜、第一正透镜与第二负透镜之间的空气间隔为4mm,第二负透镜与第二正透镜之间的空气间隔为4.3mm，所述变倍组中第一弯月透镜与第一双凹透镜之间的空气间隔为2.6mm，第一双凹透镜与第一双凸透镜和第二双凹透镜胶合透镜中，第一双凸透镜之间的空气间隔为2.6mm，所述补偿组中第三正透镜与第三负透镜和第四正透镜胶合透镜中第三负透镜之间的空气间隔为0.35mm，第五正透镜与胶合透镜中第四正透镜之间的空气间隔为0.3mm，所述后固定组中胶合透镜第三双凹透镜、第二双凸透镜前面设置光栏，胶合透镜中第二双凸透镜与第二月牙透镜之间的空气间隔为13.9mm，第二月牙透镜与胶合透镜第三月牙透镜和第三双凸透镜中第三月牙透镜之间的空气间隔为1.58mm。
3.如权利要求1所述的反衰减透雾可见光镜头，其特征在于：所述近红外截止滤光片为0.76um-0.9um透雾滤光片。
4.如权利要求1所述的反衰减透雾可见光镜头的实现方法，为了解决雾天环境下，长焦摄像机远距离监控目标的要求，其特征在于从光学透雾和电子透雾两方面进行如下图像处理：
其中，光学透雾方面，为满足高清摄像机分辨率的要求，根据雾天像面照度的数学模型设计镜头，数学模型为：
式中为g(λ)天空的光圈函数，Eα(λ)为大气散射系数，β为目标距离为0时的光照度，EF(λ)为环境光照度，d为目标距离，选用超低色散光学材料，使其内部透过率大于98％；使镜头能在宽光谱范围内成像；选择波长0.76—0.9μm透雾滤光片进行像差校正，使镜头在近红外波段形成满足高清摄像机的分辨率要求；
像差的评定根据雾天目标对比度的特性，提高物镜的结像力，低频部分的MTF大于90％，中频部分MTF大于80％，高频部分MTF大于30％，实现雾天成像质量优良，同时，为了满足白天成像的要求，对F光D光C光进行了像差校正，
在光学零件上镀制超宽带增透膜，提升0.47um-0.9um波段范围的透过率，防止光信号衰减，增大了相对孔径和减少场曲，像面照度增大，使图像更加清晰，所以前固定组的焦距F1＇焦距为174.39mm，对于变焦***而言变焦倍率g为：
式中βB和βB′为变倍组的变化前和变化后的放大倍率,βc和βc′是补偿组的变化前和变化后的放大倍率；变倍组的焦距为F2＇＝-16.94mm；补偿组的焦距F3＇＝41.39mm；
在光学***设计时像面照度为：
E(λ)＝E0(λ)×T0(d)×B(λ)
式中T0(d)为雾天大气透过率，B(λ)为光电转换器件的光谱响应系数，E0(λ)为雾天像面照度；
电子透雾方面，在摄像机主视频处理芯片上进行图像信号处理，利用算法调整图像质量；
首先采集图像信号，并对视频信号进行光电信号转换，通过3A算法及控制电路对自动曝光、自动聚焦和自动白平衡不间断进行统计评测，采集数值信息；
然后提取采集到的图像直方图信息，根据直方图变化趋势，判断直方图分布情况以及环境雾霾浓度情况，利用直方图均衡化算法调整图像灰度值；
最后运用何氏暗通道去雾算法对图像进行整体透雾调整，通过雾图形成模型：
I(x)＝J(x)T(x)+A(1-T(x))
式中I(x)为透雾前图像，J(x)为透雾后图像，T(x)为透射率，A为大气光成分；进行图像恢复处理，图像恢复公式如下：
图像恢复处理后，输出图像显示。
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