柳曉娜

（鳳凰光學(xué)股份有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310053）

0 引言

智能交通監(jiān)控鏡頭的成像質(zhì)量直接影響了監(jiān)控效果，所以不僅要求鏡頭解析度高，也要求鏡頭沒(méi)有雜光、鬼影等眩光因素存在。否則，畫(huà)面信息被干擾，會(huì)造成我們對(duì)信息判斷失誤或者信息提取失敗。因而，在設(shè)計(jì)監(jiān)控鏡頭時(shí)，一定要進(jìn)行眩光模擬分析，并對(duì)眩光加以改善和消除，使監(jiān)控畫(huà)面像質(zhì)清晰通透和有效信息不會(huì)被遮擋。本文將針對(duì)道路監(jiān)控鏡頭的眩光、鬼影等雜散光的模擬及改善進(jìn)行研究。

1 眩光的種類(lèi)、影響及消除方法

眩光主要分兩大類(lèi)：一類(lèi)是光學(xué)元件比如鏡片之間的來(lái)回反射形成的影像，叫做鬼影眩光，簡(jiǎn)稱(chēng)鬼影。之所以叫鬼影是因?yàn)檫@些形狀和光源相似的影像，本不應(yīng)該出現(xiàn)在畫(huà)面中但卻出現(xiàn)了，如果亮度過(guò)高，會(huì)給人造成有多個(gè)光源同時(shí)存在的假象。另一類(lèi)是機(jī)構(gòu)件之間的反射造成的彌散不成團(tuán)的雜散眩光，簡(jiǎn)稱(chēng)雜散光。

1.1 鬼影眩光

圖1所示為攝像頭常見(jiàn)的鬼影，其中沿著某一光束出現(xiàn)的一系列圓斑，是鏡頭中各鏡片之間反射生成的影像，它會(huì)隨著光源或鏡頭的移動(dòng)而移動(dòng)，且光斑所占畫(huà)面面積小。這類(lèi)鬼影眩光影響度不大，消除或淡化這類(lèi)鬼影的一般方法是增強(qiáng)AR鍍膜來(lái)降低鏡片反射率。

圖1 輕微鬼影眩光Fig.1 Slight ghosting flare

圖2所示為嚴(yán)重鬼影，左上角的圓斑遮擋了畫(huà)面大幅面積，右下角出現(xiàn)類(lèi)似全反射的高亮度圓斑。如果是在道路監(jiān)控情況下，車(chē)燈為強(qiáng)光源，畫(huà)面若出現(xiàn)這種鬼影，會(huì)遮擋監(jiān)控車(chē)輛的型號(hào)及車(chē)牌號(hào)碼，所以這種鬼影必須要消除。這種情況下，一般是在光學(xué)設(shè)計(jì)階段通過(guò)眩光模擬分析，再優(yōu)化改變鏡片R值或鏡片之間的間隔，甚至是變更鏡片材質(zhì)，來(lái)縮小鬼影圓斑面積，并增強(qiáng)AR鍍膜降低鏡片反射率來(lái)淡化鬼影亮度。

圖2 嚴(yán)重鬼影眩光Fig.2 Severe ghosting flare

1.2 雜散炫光

圖3所示為薄霧狀雜散眩光，整個(gè)畫(huà)面就像覆蓋了一層薄紗，畫(huà)面對(duì)比度及清晰度下降。在道路監(jiān)控時(shí)，這種眩光畫(huà)面會(huì)導(dǎo)致看不清車(chē)牌號(hào)碼，嚴(yán)重干擾監(jiān)控信息提取，所以這一類(lèi)雜散眩光也必須要消除。一般造成這種情況的原因是鏡片反射率大或者機(jī)構(gòu)件反光，所以在鏡頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，要再次進(jìn)行眩光模擬，著重查看機(jī)構(gòu)件反光情況，對(duì)機(jī)構(gòu)反光件進(jìn)行消光處理或改變形狀，另外也要加強(qiáng)鏡片AR鍍膜、降低鏡片反射率。

圖3 薄霧狀雜散眩光Fig.3 Misty stray glare

2 眩光模擬分析方法

2.1 Zemax軟件模擬分析

光學(xué)設(shè)計(jì)軟件一般自帶鬼影分析模塊，比如Zemax軟件通過(guò)將設(shè)計(jì)好的鏡頭轉(zhuǎn)換成非序列模式，再設(shè)置光線數(shù)量和探測(cè)器位置即可計(jì)算模擬鬼影狀況。但這種方法耗時(shí)較久，如果光學(xué)組態(tài)和鏡片數(shù)量較多，可能會(huì)耗費(fèi)數(shù)個(gè)小時(shí)的模擬時(shí)間。本文介紹一種利用Zemax編程語(yǔ)言編寫(xiě)macro的方式進(jìn)行鬼影分析的方法[1-2]，可以讓設(shè)計(jì)者快速得到畫(huà)面中鬼影位置、大小等信息，并輸出鬼影圖片。為方便設(shè)計(jì)者觀察及分析，在這里只節(jié)選部分編程程序。

將所編寫(xiě)的macro放在Zemax安裝文件中，并在Zemax Macro選項(xiàng)中打開(kāi)，運(yùn)行即可得到分析結(jié)果，如圖4所示。

圖4 Zemax的分析結(jié)果Fig.4 Zemax analysis results

2.2 Tracepro模擬分析

將Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)檔案導(dǎo)入到Tracepro中，并將每個(gè)鏡片的材料及鍍膜條件設(shè)置到軟件中，設(shè)置方法為打開(kāi)Define中的Apply Properties[3]，如圖5所示。

圖5 TracePro中Define設(shè)置頁(yè)面Fig.5 Define setting page in TracePro

Apply Properties的界面如圖6所示，在左側(cè)列表中可以選擇Material設(shè)置鏡片材料，選擇Surface設(shè)置鏡片表面屬性，比如鍍膜或完美透射，一般選擇3層鍍膜。

圖6 TracePro中Apply properties設(shè)置頁(yè)面Fig.6 Apply properties setting page in TracePro

最終設(shè)置好的界面如圖7所示，然后再設(shè)置光源，一般光源類(lèi)型選擇Annular，Grid格式選擇Random?？偣饩€數(shù)目越多，分析越準(zhǔn)確，在這里選擇20萬(wàn)條光線。設(shè)置好后點(diǎn)擊工具條中的trace rays按鈕，即可進(jìn)行光線追跡并得到分析結(jié)果。

圖7 TracePro分析結(jié)果Fig.7 TracePro analysis results

3 模擬結(jié)果分析

本文以智能交通領(lǐng)域的道路監(jiān)控鏡頭為模型進(jìn)行模擬結(jié)果的分析。如圖8所示，左側(cè)為實(shí)拍畫(huà)面，可以發(fā)現(xiàn)在光源的下方有一個(gè)圓斑且重疊了一個(gè)水滴狀的薄霧雜光。我們用Zemax進(jìn)行模擬，分析結(jié)果中出現(xiàn)了圓斑和水滴狀雜光，這與實(shí)拍照片是有對(duì)應(yīng)性的，且在分析結(jié)果中看到圓斑及水滴狀雜光為最后一枚鏡片的R2表面與保護(hù)玻璃之間的反射產(chǎn)生的。同樣用Tracepro分析得出的光線追跡照度圖也可以看到亮斑和水滴狀的雜光。這表明兩種軟件的模擬分析方法均與實(shí)際情況有對(duì)應(yīng)性。

圖8 改善前實(shí)拍照片和Zemax與TracePro分析結(jié)果對(duì)比Fig.8 Real photos taken before improvement&Comparison ofitsanalysis results of Zemax and TracePro

從上述模擬結(jié)果中得知，最后一枚鏡片與保護(hù)玻璃之間的反射是產(chǎn)生圓斑及水滴狀雜光的原因。因?yàn)楸Ｗo(hù)玻璃是固定的平板玻璃，無(wú)法更改，所以我們需要修改最后一枚鏡片的R值，減少鏡片的彎曲度，從而使反射的光線能量分散，減少圓斑和水滴狀眩光的亮度和面積。在保證鏡頭整體光學(xué)性能和加工公差范圍的前提下，將最后一枚鏡片的R值設(shè)為變數(shù)，使用Zemax軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)R值由23.386變?yōu)?6.329時(shí)[9-10]，可使光學(xué)性能不變的前提下，使圓斑鬼影眩光完全消失，但水滴狀鬼影眩光依舊存在，需要進(jìn)一步實(shí)施對(duì)策使其減輕或消失，實(shí)拍效果及模擬分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 改善后實(shí)拍照片和Zemax與TracePro分析結(jié)果對(duì)比Fig.9 Real photos taken after improvement&Comparison of its analysis results of Zemax and TracePro

為了解決依舊存在的水滴狀鬼影眩光，將最后一枚鏡片的AR鍍膜增加了層數(shù)使其增強(qiáng)，提升透過(guò)率降低了鏡片反射率，反射率數(shù)值由原來(lái)的5%降低到2%，光源下方的水滴狀眩光被淡化消除，如圖10所示，可以看出效果比較明顯，對(duì)策有效。

圖10 普通鍍膜和增強(qiáng)鍍膜效果實(shí)拍照片對(duì)比Fig.10 Comparison of real shot photos of ordinary coating and enhanced coating effect

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的眩光分析方法，可以快速有效和準(zhǔn)確地模擬出眩光的形狀和亮度并找出造成眩光的原因，讓設(shè)計(jì)者及時(shí)高效地做出改善措施，避免鏡頭投入試做后才發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重眩光造成人力物力浪費(fèi)，同時(shí)可以大大縮短項(xiàng)目產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。