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我国安防产业发展研究——以变焦距镜头为视角
时间:2021-12-10 16:05 | 栏目:毕业论文 | 浏览:次
硕士论文网第2021-12-10期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇毕业论文文章《我国安防产业发展研究——以变焦距镜头为视角》，供大家在写论文时进行参考。
中国安防行业的发展引领着世界安防行业的发展，也带动了中国镜头行业的发展。随着数码相机行业的没落，世界上的光学大厂如佳能、腾龙等纷纷大力向安防行业投产各类镜头产品。
目前在中国安防行业的镜头市场，以市场层次来分析，日本镜头主要以高端市场为主，占据了高端市场的大部分份额。而中国国产镜头主要以中低端市场为主，中国镜头由于生产成本低（主要是原材料和劳动力），因而具有价格低廉、产品适用的特点，已受到许多国内外摄像机生产厂商的欢迎和青睐。许多中国镜头制造商近年也开始意识到，要想获得更大的利润和企业长期的发展，必须向高端市场开拓，要着力改变中国镜头即等于低端镜头的形象。
安防行业近几年来逐渐进入高清时代，对镜头业提出了更高的要求。高清监控具有高清晰、高分辨率等特点，还可以在各种光线不足的环境下保证动态图像质量，为智能视频分析提供了技术保障，可以实现高质量的安防监控。近几年来高清镜头的市场走势逐渐走强，高清镜头在满足高清监控方面发挥着越来越重要的作用[1]。
变焦距系统是一种焦距可以连续变化而像面保持稳定, 且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。变焦距光学系统可以实现对距离目标的连续探测, 已广泛应用于国民经济和国防工业的很多领域。目前变焦镜头已经广泛地应用到安防行业中。
作为安防行业的高端产品，一体机（球机），上所搭载的变焦镜头，也步入了高清时代。一体机用变焦镜头由于要求全焦段都达到高清标准，同时要求具备大相对孔径，红外共焦等特点，具有较高的难度。目前安防行业一体机6寸球上所用到的最主流的高清镜头，倍率在20倍左右。更高倍率的镜头具有30倍的变倍比，但由于价格昂贵，并非主流产品。而20倍左右的镜头具有性能优越、经济实惠的优点，已经成为市场的主力军[2]。
中国在变焦镜头领域积累很少，又要应对日本和台湾、韩国等国家的光学厂家的竞争，面临严峻的形势。特别是在高端镜头的设计、制造方面缺乏经验，制约着中国光学行业的发展。因而根据市场的实际需要设计一款20倍大变倍比的高清变焦镜头，并完成杂散光和公差分析，是很有意义的。
![如上图所示就给出了常见的三种MTF情形[10]](/uploads/allimg/2112/2-211210160625Q0.jpg)
二、国内外研究现状
1834年，英国科学家彼得巴洛首次实现了光学系统的焦距可变。他在一款当时的望远镜的目镜上增加了一块负透镜，使得望远镜的焦距产生变化，改变了望远镜的放大倍率。这就是世界上首款变焦距光学系统。之后人们对于变焦距透镜有了进一步的研究[3]。
随着20世纪电影和摄影技术的不断发展，各种变焦距镜头层出不穷。变焦距透镜由于其使用范围广泛，又能够维持一定的像质输出，渐渐成为市场的主流。在变焦距透镜发展的过程中，有一些我们称之为里程碑式的节点。
1958年，弗兰克.巴克博士设计出了世界上第一个光学补偿式变焦距镜头，该镜头的F数是2.8，它可以实现焦距从36mm到82mm的变化。与现在的机械补偿法不同，光学补偿变焦距系统通过两组以上的镜片制作同步移动（无需凸轮机构）实现焦距的变化系统像面的稳定。正是因为该设计思想的出现，ZOOM才被人们定义为变焦距物镜的名称[4]。
2.1.2 机械补偿法和光学补偿法的区别
光学法补偿法变焦距系统和传统的机械补偿法变焦距系统。光学补偿法变焦距系统是通过内部移动组元进行同方向等速度移动来实现变焦。而系统的机械补偿法变焦距系统是在系统中通过一组透镜的移动实现变焦的目的，而用另一组透镜作少量的非线性运动来补偿像面的位移，从而达到既变倍又保证像面稳定的要求[5]。
光学补偿法的缺点：光学补偿法像面位置不能完全补偿，总是存在一定的偏移（除设计规定的几个点之外），而机械补偿的优点是在任意位置，像面都能够完全补偿《变焦距光学系统设计》。在早期，光学补偿法得到广泛的运用时，凸轮加工等工艺无法满足机械补偿法的精度要求，因而光学补偿法得到了更多的青睐。
二十世纪70年代以来，精密机械加工、镀膜技术、光学冷加工技术都得到了长足的发展，解决了当时机械补偿变焦法因达不到精度要求而无法实现的问题。在加上光学材料种类及性能的提高，以及一些便捷的光学设计软件的出现，使得机械补偿变焦距系统的设计得到了巨大的发展[6]。
如今单纯的光学补偿法已经基本退出了历史舞台，机械补偿法却在不断地发展，演化出各种各样的形式。
2.1.3 人们对于机械补偿法的研究
近几年中，人们对机械补偿法的研究越来越深入，新的变焦形式也层出不穷，从最开始的单组元运动，发展到两组元运动，到现在的多组元运动，甚至是多组元全动型式。而且变焦距系统的成像质量、稳定性等性能指标也达到了前所未有的高度[7]。
目前各国学者对于机械补偿变焦透镜系统的理论研究已经能够确定变焦距系统中单个组元能够采用单透镜形式还是必须要采用双片式或多片式组合的形式。如MIKS等人的研究，将变焦镜头初始结构求解的过程简化为求解两个形状因子参量，已经能够确定变焦光学系统中哪些组元可以使用单透镜，哪些组元需要采用复杂形式[8]。
2.1.4借助计算机设计复杂变焦距系统
随着电子计算机技术的不断发展，人们借助相关光学设计软件（如Zemax、Code V等）已经能够设计出各种复杂的变焦距系统。通过建立误差函数，并在优化的过程中进行不断的调整，光学设计师可以改变误差函数优化的方向。过去只有经验老道的设计师才能设计复杂的变焦系统，因为对于像差的优化是一个非常考验设计者经验的任务。如何对各个位置的像差都能优化到合理的输出？年轻的设计师往往回顾此失彼[9]。
2.1.5对于光学系统的评价。
结合光学设计软件，复杂变焦距系统的设计不再是只有老专家才能涉足的领域。然而就算掌握了变焦距光学系统设计的方法，如果不能采取适当的像质评价方法，设计出来的变焦系统未必能够适应实际的需要。变焦距光学系统的评价是非常考验设计者的实际工作经验的。由于变焦距系统需要在最低的价格输出最佳的像质，对于像差的优化往往回牺牲掉一部分不重要的像差，而注重重要的像差。目前运用最广泛的还是MTF——传递调制函数。在评价变焦系统的时候，调制传递函数可以帮助我们了解变焦系统各方面的像质。低频时的调制传递函数输出体现的是镜头的对比度，当此时的调制传递函数越接近于1时，说明镜头的对比度很强烈，这样的镜头，看物体的边缘的反差会比较强烈，因而人眼看时会觉得比较锐利。高频时的调制传递函数体现的是镜头的解像力。此时的调制传递函数越接近于1时，说明镜头的分辨率较高，这样的镜头，可以分辨微小的细节，当对图片进行放大时，则可以看到物体的细节。没有十全十美的镜头，因而如何对像质进行取舍呢？这就成为光学设计师非常关切的问题。
像质评价只是变焦距光学系统评价的一个方面，由于量产的需要，公差分析显得尤为重要。放宽公差可能会带来像质下降等不良影响，然而如果公差过于严格的话，那么制造上将面临很大的难题。光学设计软件本身能够为公差分析提供很大的支持，如何制定合适的公差，则很大程度上依赖于实际生产经验[11]。
如今对于变焦镜头的杂散光评价也成为一名光学设计师必须面对的问题。目前市面上的杂散光分析软件已经很多了，但是能够结合实际使用需要，对鬼像和杂光进行评价并不是一件容易的事，需要光学设计师长期积累的工作经验。
国内对于变焦距系统的理论研究已经比较充分，但是实际设计和生产经验积累较少。20世纪中期，在开展变焦距摄影物镜的研究中，陶纯堪教授曾经对变焦距系统的高斯解进行过详尽的分析，给出了不同结构形式的变焦距系统的理论计算方法。目前对于变焦距系统的研究，已经能够给出最复杂的多组元全动型变焦距物镜高斯光学参数的计算方法。但受制于国内目前的加工能力，变焦距系统的凸轮曲线实际上不多于三条[12]。
2.2.2缺乏对于变焦距系统实际设计方法的研究
随着光学设计软件的不断发展，人们已经能够应用光学设计软件设计出非常复杂的变焦距系统。而理论的高斯解计算已经不能够满足光学设计的需要，实际生产过程中，更多得是利用软件，结合经验或者相关专利，进行初始结构的求解[13]。由于变焦系统的高斯解非常复杂，难于计算，同时又受制于实际生产上各种条件的限制，因而计算变焦系统的高斯解能否为实际设计工作提供指导呢？由于理论计算和实际设计工作的脱节，因而有必要探究适合实际工作需要的初始结构求解方法。
三、研究展望
结合实际市场需求，确定所设计的变焦距光学系统的规格参数。在总结前人经验、阅读大量相关文献的基础上，利用光学设计软件得出20倍变焦镜头的一般初始形式。然后利用光学设计软件进行初始系统的的优化后，选取一种最合理的形式。对于所选择的初始结构进行像差的优化和平衡，以达到规格要求。对变焦距光学系统进行详尽的公差分析、鬼像及杂散光分析。
参考文献
[1] 金逢锡，金虎杰.变焦镜头结构形式的最佳选择方法[M].延边大学学报.2004（2）
[2] 程雪岷，王光宇，张丽琴等.变焦距镜头初始结构智能化设计方法[M].北京理工大学学报.2002（11）
[3] Engel P A.Impact Wear of Materials. 2nd ed. New York: Elsevier, 1986
[4] David S G.ZOOM LENS DESIGN.2nd ed.Massachusetts:Waltham,2003
[5] 张存武.变焦距光学系统设计[D]:[硕士学位论文].长春理工大学，2006
[6] 田海霞.一种可见光变焦距电视光学系统研究[D]:[硕士学位论文].西安：中国科学院西安光学精机械研究所，2008
[7] 李洋.数码相机变焦距物镜设计[D]:[硕士学位论文].大连理工大学，2010
[8] 蔡伟.大变倍比变焦距系统设计[D]:[博士学位论文].中国科学院研究生院，2012
[9] 黄玲.两种变焦距光学系统的设计研究[D]:[硕士学位论文].浙江：浙江大学，2002
[10] Antonin Miks.Zoom lens design 3th.Czech Technical University,2012
[11] 英文图书：P179-P191 opticle system design——MCGRAW HILL
[12] 网络文献《光学设计何处去？》http://wenku.baidu.com/link?url=JmOv1vINJWLrZwSl9Npa2yBH5xrGxDZtbdYeOK3mFYYEGQiT8wFGkhPsFShmrSeMuEOe071gOQPaeNp3s3hBoH58lPAQqo9dA8zF9fSSulq
[13] 王琦，等.多组元全动型变焦距物镜高斯光学[J].光学学报.1998.6:8301-833.
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中国安防行业的发展引领着世界安防行业的发展，也带动了中国镜头行业的发展。随着数码相机行业的没落，世界上的光学大厂如佳能、腾龙等纷纷大力向安防行业投产各类镜头产品。
目前在中国安防行业的镜头市场，以市场层次来分析，日本镜头主要以高端市场为主，占据了高端市场的大部分份额。而中国国产镜头主要以中低端市场为主，中国镜头由于生产成本低（主要是原材料和劳动力），因而具有价格低廉、产品适用的特点，已受到许多国内外摄像机生产厂商的欢迎和青睐。许多中国镜头制造商近年也开始意识到，要想获得更大的利润和企业长期的发展，必须向高端市场开拓，要着力改变中国镜头即等于低端镜头的形象。
安防行业近几年来逐渐进入高清时代，对镜头业提出了更高的要求。高清监控具有高清晰、高分辨率等特点，还可以在各种光线不足的环境下保证动态图像质量，为智能视频分析提供了技术保障，可以实现高质量的安防监控。近几年来高清镜头的市场走势逐渐走强，高清镜头在满足高清监控方面发挥着越来越重要的作用[1]。
变焦距系统是一种焦距可以连续变化而像面保持稳定, 且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。变焦距光学系统可以实现对距离目标的连续探测, 已广泛应用于国民经济和国防工业的很多领域。目前变焦镜头已经广泛地应用到安防行业中。
作为安防行业的高端产品，一体机（球机），上所搭载的变焦镜头，也步入了高清时代。一体机用变焦镜头由于要求全焦段都达到高清标准，同时要求具备大相对孔径，红外共焦等特点，具有较高的难度。目前安防行业一体机6寸球上所用到的最主流的高清镜头，倍率在20倍左右。更高倍率的镜头具有30倍的变倍比，但由于价格昂贵，并非主流产品。而20倍左右的镜头具有性能优越、经济实惠的优点，已经成为市场的主力军[2]。
中国在变焦镜头领域积累很少，又要应对日本和台湾、韩国等国家的光学厂家的竞争，面临严峻的形势。特别是在高端镜头的设计、制造方面缺乏经验，制约着中国光学行业的发展。因而根据市场的实际需要设计一款20倍大变倍比的高清变焦镜头，并完成杂散光和公差分析，是很有意义的。
二、国内外研究现状
2.1研究方向及进展
2.1.1变焦距镜头的发展历史1834年，英国科学家彼得巴洛首次实现了光学系统的焦距可变。他在一款当时的望远镜的目镜上增加了一块负透镜，使得望远镜的焦距产生变化，改变了望远镜的放大倍率。这就是世界上首款变焦距光学系统。之后人们对于变焦距透镜有了进一步的研究[3]。
随着20世纪电影和摄影技术的不断发展，各种变焦距镜头层出不穷。变焦距透镜由于其使用范围广泛，又能够维持一定的像质输出，渐渐成为市场的主流。在变焦距透镜发展的过程中，有一些我们称之为里程碑式的节点。
1958年，弗兰克.巴克博士设计出了世界上第一个光学补偿式变焦距镜头，该镜头的F数是2.8，它可以实现焦距从36mm到82mm的变化。与现在的机械补偿法不同，光学补偿变焦距系统通过两组以上的镜片制作同步移动（无需凸轮机构）实现焦距的变化系统像面的稳定。正是因为该设计思想的出现，ZOOM才被人们定义为变焦距物镜的名称[4]。
2.1.2 机械补偿法和光学补偿法的区别
光学法补偿法变焦距系统和传统的机械补偿法变焦距系统。光学补偿法变焦距系统是通过内部移动组元进行同方向等速度移动来实现变焦。而系统的机械补偿法变焦距系统是在系统中通过一组透镜的移动实现变焦的目的，而用另一组透镜作少量的非线性运动来补偿像面的位移，从而达到既变倍又保证像面稳定的要求[5]。
光学补偿法的缺点：光学补偿法像面位置不能完全补偿，总是存在一定的偏移（除设计规定的几个点之外），而机械补偿的优点是在任意位置，像面都能够完全补偿《变焦距光学系统设计》。在早期，光学补偿法得到广泛的运用时，凸轮加工等工艺无法满足机械补偿法的精度要求，因而光学补偿法得到了更多的青睐。
二十世纪70年代以来，精密机械加工、镀膜技术、光学冷加工技术都得到了长足的发展，解决了当时机械补偿变焦法因达不到精度要求而无法实现的问题。在加上光学材料种类及性能的提高，以及一些便捷的光学设计软件的出现，使得机械补偿变焦距系统的设计得到了巨大的发展[6]。
如今单纯的光学补偿法已经基本退出了历史舞台，机械补偿法却在不断地发展，演化出各种各样的形式。
2.1.3 人们对于机械补偿法的研究
近几年中，人们对机械补偿法的研究越来越深入，新的变焦形式也层出不穷，从最开始的单组元运动，发展到两组元运动，到现在的多组元运动，甚至是多组元全动型式。而且变焦距系统的成像质量、稳定性等性能指标也达到了前所未有的高度[7]。
目前各国学者对于机械补偿变焦透镜系统的理论研究已经能够确定变焦距系统中单个组元能够采用单透镜形式还是必须要采用双片式或多片式组合的形式。如MIKS等人的研究，将变焦镜头初始结构求解的过程简化为求解两个形状因子参量，已经能够确定变焦光学系统中哪些组元可以使用单透镜，哪些组元需要采用复杂形式[8]。
2.1.4借助计算机设计复杂变焦距系统
随着电子计算机技术的不断发展，人们借助相关光学设计软件（如Zemax、Code V等）已经能够设计出各种复杂的变焦距系统。通过建立误差函数，并在优化的过程中进行不断的调整，光学设计师可以改变误差函数优化的方向。过去只有经验老道的设计师才能设计复杂的变焦系统，因为对于像差的优化是一个非常考验设计者经验的任务。如何对各个位置的像差都能优化到合理的输出？年轻的设计师往往回顾此失彼[9]。
2.1.5对于光学系统的评价。
结合光学设计软件，复杂变焦距系统的设计不再是只有老专家才能涉足的领域。然而就算掌握了变焦距光学系统设计的方法，如果不能采取适当的像质评价方法，设计出来的变焦系统未必能够适应实际的需要。变焦距光学系统的评价是非常考验设计者的实际工作经验的。由于变焦距系统需要在最低的价格输出最佳的像质，对于像差的优化往往回牺牲掉一部分不重要的像差，而注重重要的像差。目前运用最广泛的还是MTF——传递调制函数。在评价变焦系统的时候，调制传递函数可以帮助我们了解变焦系统各方面的像质。低频时的调制传递函数输出体现的是镜头的对比度，当此时的调制传递函数越接近于1时，说明镜头的对比度很强烈，这样的镜头，看物体的边缘的反差会比较强烈，因而人眼看时会觉得比较锐利。高频时的调制传递函数体现的是镜头的解像力。此时的调制传递函数越接近于1时，说明镜头的分辨率较高，这样的镜头，可以分辨微小的细节，当对图片进行放大时，则可以看到物体的细节。没有十全十美的镜头，因而如何对像质进行取舍呢？这就成为光学设计师非常关切的问题。
像质评价只是变焦距光学系统评价的一个方面，由于量产的需要，公差分析显得尤为重要。放宽公差可能会带来像质下降等不良影响，然而如果公差过于严格的话，那么制造上将面临很大的难题。光学设计软件本身能够为公差分析提供很大的支持，如何制定合适的公差，则很大程度上依赖于实际生产经验[11]。
如今对于变焦镜头的杂散光评价也成为一名光学设计师必须面对的问题。目前市面上的杂散光分析软件已经很多了，但是能够结合实际使用需要，对鬼像和杂光进行评价并不是一件容易的事，需要光学设计师长期积累的工作经验。
2.2存在问题
2.2.1实际设计和生产经验不足国内对于变焦距系统的理论研究已经比较充分，但是实际设计和生产经验积累较少。20世纪中期，在开展变焦距摄影物镜的研究中，陶纯堪教授曾经对变焦距系统的高斯解进行过详尽的分析，给出了不同结构形式的变焦距系统的理论计算方法。目前对于变焦距系统的研究，已经能够给出最复杂的多组元全动型变焦距物镜高斯光学参数的计算方法。但受制于国内目前的加工能力，变焦距系统的凸轮曲线实际上不多于三条[12]。
2.2.2缺乏对于变焦距系统实际设计方法的研究
随着光学设计软件的不断发展，人们已经能够应用光学设计软件设计出非常复杂的变焦距系统。而理论的高斯解计算已经不能够满足光学设计的需要，实际生产过程中，更多得是利用软件，结合经验或者相关专利，进行初始结构的求解[13]。由于变焦系统的高斯解非常复杂，难于计算，同时又受制于实际生产上各种条件的限制，因而计算变焦系统的高斯解能否为实际设计工作提供指导呢？由于理论计算和实际设计工作的脱节，因而有必要探究适合实际工作需要的初始结构求解方法。
三、研究展望
结合实际市场需求，确定所设计的变焦距光学系统的规格参数。在总结前人经验、阅读大量相关文献的基础上，利用光学设计软件得出20倍变焦镜头的一般初始形式。然后利用光学设计软件进行初始系统的的优化后，选取一种最合理的形式。对于所选择的初始结构进行像差的优化和平衡，以达到规格要求。对变焦距光学系统进行详尽的公差分析、鬼像及杂散光分析。
参考文献
[1] 金逢锡，金虎杰.变焦镜头结构形式的最佳选择方法[M].延边大学学报.2004（2）
[2] 程雪岷，王光宇，张丽琴等.变焦距镜头初始结构智能化设计方法[M].北京理工大学学报.2002（11）
[3] Engel P A.Impact Wear of Materials. 2nd ed. New York: Elsevier, 1986
[4] David S G.ZOOM LENS DESIGN.2nd ed.Massachusetts:Waltham,2003
[5] 张存武.变焦距光学系统设计[D]:[硕士学位论文].长春理工大学，2006
[6] 田海霞.一种可见光变焦距电视光学系统研究[D]:[硕士学位论文].西安：中国科学院西安光学精机械研究所，2008
[7] 李洋.数码相机变焦距物镜设计[D]:[硕士学位论文].大连理工大学，2010
[8] 蔡伟.大变倍比变焦距系统设计[D]:[博士学位论文].中国科学院研究生院，2012
[9] 黄玲.两种变焦距光学系统的设计研究[D]:[硕士学位论文].浙江：浙江大学，2002
[10] Antonin Miks.Zoom lens design 3th.Czech Technical University,2012
[11] 英文图书：P179-P191 opticle system design——MCGRAW HILL
[12] 网络文献《光学设计何处去？》http://wenku.baidu.com/link?url=JmOv1vINJWLrZwSl9Npa2yBH5xrGxDZtbdYeOK3mFYYEGQiT8wFGkhPsFShmrSeMuEOe071gOQPaeNp3s3hBoH58lPAQqo9dA8zF9fSSulq
[13] 王琦，等.多组元全动型变焦距物镜高斯光学[J].光学学报.1998.6:8301-833.
以上论文内容是由硕士论文网为您提供的关于《我国安防产业发展研究——以变焦距镜头为视角》的内容，如需查看更多硕士毕业论文范文，查找硕士论文、博士论文、研究生论文参考资料，欢迎访问硕士论文网毕业论文栏目。