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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林彥廷
研究生(外文):Yen-Ting Lin
論文名稱:長距離日夜安全監控系統整合開發
論文名稱(外文):Development and study on long distance day-and-night security monitoring system
指導教授:林世穆林世穆引用關係
口試委員:王耀德賴利溫
口試日期:2012-07-24
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:光電工程系研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:89
中文關鍵詞:安全監控紅外投射準直尺寸比例改變
外文關鍵詞:Security MonitoringIR LightingCollimatingAnamorphic
相關次數:
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近年來,安全監控系統進入高畫質數位化及雲端跨領域整合的時代。畫質的清晰程度、系統可觀測的距離遠近以及在夜間時是否如日間般清楚辨識景物成為了探究安全監控系統開發及整合的重點。考量到技術取得及整合方便性和成本控制,主動紅外投射技術對於以矽元素為主要材質的影像感測器來說,其反應頻譜在紅外波段有著相當高的響應。因此在低光源、低照度的環境下相當適合搭配可見光作為輔助光源的使用以及感測使用。本文將討論運用在遠距離紅外投影暨光形調整技術,設計模擬在低照度環境下投射出符合影像感光元件的幾何長寬比例以貼近實務上需求。
  紅外投影系統會搭配取像系統作為使用,其變焦鏡頭的光學倍率為10倍至30倍不等;在夜間時利用近紅外波段,而日間則使用濾光片切換至可見光波段利於觀察。本論文以垂直腔面射型雷射(VCSEL)作為光源並設計二次光學元件來加以應用。光源經過元件準直後再加入尺寸比例改變(anamorphic)後能投射出準直且光束截面比例16:9之光形,接著計算並投射12倍光學變焦鏡頭在各焦段所對應監控面積的陣列投射系統,其工作距離為100 m ~ 200 m遠,可更有效利用燈源並且節省40%能量。


Security system has entered the era of integrated high-definition image quality digital network in recent years. The focus of development and integration are clarity of image, working distance of investigation, and clear night monitoring. In consideration of technique, cost, and compatibility, the active infrared illumination is suitable for high spectral response of silicon-based-solid-state image sensor especially in low-light-level environment. This Thesis will explore the long distance IR anamorphic lighting technique, designing and simulating the aspect ratio and scheme size, which is formed by the collimating lens and projecting system, to be matched the Full-HD aspect ratio of the image sensor.
  The video monitoring system which is consist of 10x to 30x optical zoom lens operates with IR lighting system during the night time. The IR cut filters are used in daytime for solid-state image sensors so that the interference of the invisible noise can be removed. The thesis is to devise secondary optical lens and long distance projecting array system with VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). The 16:9 beam pattern which is projected to 100 meters away by the secondary lens is about 5 degree. In comparison with the majority of current products in the marketing, the collimated and elliptical radiant pattern is not only lower cost but higher optical efficiency.


中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 v
圖目錄 vi
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 1
1.3 產業現況及市場介紹 3
1.3.1 夜間人造輔助光源之簡介 4
1.3.2 夜間輔助照明產品之簡介 6
1.4 研究目的 7
1.5 論文架構 8
第二章 光學元件設計原理 9
2.1幾何光學 9
2.1.1 光焦度 10
2.1.2 弛垂 11
2.1.3 離焦 12
2.2 光線追跡 13
2.3 光學不變量 15
2.4 準直投射技術 18
2.4.1 準直透鏡 19
2.4.2 菲涅爾透鏡 21
2.4.3 TIR透鏡 22
2.4.4 拋物反射杯 23
2.4.5 複合拋物面反射杯 25
2.4.6 漸變折射率透鏡 27
第三章 投射光束截面比例改變光學原理 29
3.1 投射光束截面比例改變系統 29
3.2 投射光束截面比例改變元件 30
3.2.1 直角稜鏡 30
3.2.2 圓柱透鏡 34
3.2.3 雙曲率透鏡 37
第四章 夜間監控輔助照明元件及系統之建構 39
4.1 輻射及光度學 39
4.1.1 通量 40
4.1.2 輝度 40
4.1.3 照度 40
4.1.4 強度 41
4.2 監控取像系統 41
4.2.1 變焦光學與基本原理 42
4.2.2 焦段與視場 43
4.2.3 放大率 44
4.3 夜間照明投射元件及系統設計 45
4.3.1 取像鏡頭視場角 45
4.3.2 監控場景尺寸 46
4.3.3 夜間輔助照明投射元件及陣列系統設計 47
第五章 夜間輔助照明元件與系統設計與分析 50
5.1 設計流程 50
5.2 系統架構 53
5.3 取像鏡頭的選用 53
5.3.1 光學變焦取像系統 54
5.3.2 監控視角的計算 54
5.3.3 監控場景尺寸 55
5.4 光源量測與設定 57
5.4.1 實驗量測 57
5.4.2 光源規格與模擬設定 59
5.5 準直元件設計與模擬 60
5.6 Anamorphic元件設計與模擬 62
5.6.1 Anamorphic投射元件實施例一 62
5.6.2 Anamorphic投射元件實施例二 65
5.6.3 Anamorphic投射元件實施例三 68
5.7 陣列系統設計與模擬 70
5.7.1 投射元件陣列架構 70
5.7.2 投射元件陣列於望遠焦段模擬分析 71
5.7.3 投射元件陣列於一般焦段模擬分析 73
第六章 結論與未來展望 75

參考文獻 77
附錄
A 2011 IPC研討會論文 80
B 2012 OPTIC研討會論文 84
C 後記 88


[1] 楊智雄,「由電影”全民公敵”談起-我國安全監控產業概況」,華控月刊
  2007053期,2007。
[2] A.R. Jha, ”Infrared Technology,” wiley, 2000, pp.112
[3] Joseph M. Geary, “Introduction to Lens Design,” Willmann-Bell, 2002, pp.39
[4] Joseph M. Geary, “Introduction to Lens Design,” Willmann-Bell, 2002, pp.23
[5] Joseph M. Geary, “Introduction to Lens Design,” Willmann-Bell, 2002, pp.70
[6] E.Hecht, “Optics,” Addison Wesley, 2002, pp.246-247
[7] G.Smith, ”Practical Computer-Aided Lens Design,” Willmann-Bell, 1998, pp.31
[8] R. E. Fischer, ”Optical System Design,” McGrawHill, pp.324-325
[9] E.Hecht, ”Optics,” Addison Wesley, 2002, pp.244
[10] Lumileds Lighting, ”Secondary Optics Design Considerations for Superflux LEDs,” application brief AB20-5, 2002, pp.17-18
[11] Roland Winston, Juan C.Minano, Pablo Benitez, “Nonimaging Optics,” Elsevier, 2005, pp.50
[12] C. Gomez-Reino, M.V. Perez, C. Bao, ”Gradient-Index Optics,” Springer,
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[13] Dawei Rui, Zulun Lin, Kangcheng Qi, Wenbin Chen, ”Optical design in
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gradient-index lens,” SPIE, Vol.51, 2012, pp.013004-2
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[15] 安連生,應用光學,第三版,北京理工大學出版社,2002
[16] K.Herman, ”CCTV Surveillance,” Elsevier, 2007, pp.74



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