监控镜头的技术及功能分析

时间：2010-06-13　来源：中国集群通信网　作者：张天天　点击：次

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　　在需要实施24小时连续监控的工厂厂区、大厦、停车场中，小型且高画质的日夜两用摄像机的需求愈来愈旺。日夜两用摄像机的优势是即使在低照度，甚至没有可见光照明的环境中，运用夜间模式(夜间为黑白图像)，使用近红外灯照射监控对象，也可以观察到清晰的图像。同时，不仅仅是观察监控对象，对监控对象的识别也成为了可能。

　　如果将普通的日用型镜头安装在日夜两用摄像机上使用，在运用夜间模式时，由于纵向色差的影响，聚焦会产生偏焦，无法采集到清晰的图像。为了不产生偏焦，使镜头能够运用于日夜两用型摄像机，需要从可见光区域到近红外光线区域的范围内尽量减少纵向色差。普通镜头与日夜两用型镜头的夜间图像效果及光路原理分别如图1、图2。

图1 夜间模式时普通日用镜头和日夜两用镜头的影响比较

图2 普通镜头（左）和日夜两用型镜头(右）在不同管线条件下的光路原理图

　　对于镜头而言，一般焦距越长，色差的补偿就越困难，在可见光区域和近红外光线区域上纵向色差增大，偏焦也很明显。因此，一般采用被称作ED玻璃、SD玻璃的特殊低分散光学玻璃，或通过最佳的镜片构成来抑制纵向色差。这样，即使进行日间模式(白天为彩色图像)和夜间模式之间的切换，也能将偏焦抑制到最小，从而实现日夜24小时连续监控。此外，由于日夜两用镜头所使用的波长范围较宽，因此需留意光线透过率，结合使用目的对镜片进行镀膜。

　　大口径比趋势

　　为满足夜间室内外低照度环境下的监控需求，高灵敏的低照度摄像机应运而生，并得到了广泛推广。而通过减小镜头本身的F值(提高通光量)，可更大地发挥低照度摄像机的功能作用。

　　我们知道，镜头的F值随着镜头口径的增加而成比例地减小，F值越小，性能越好。而为了得到较大的口径，有时会通过增加镜头的长度，以得到更小的F值，从而提高镜头的性能。然而，由于监控摄像机受其性质、安装场所等因素的制约，日益被要求向小型化方向发展，因此，镜头本身也需要设计得更加小巧。

　　另外，要设计更小的F值，就增加了补偿像差设计上的困难程度，而像差的增大，将会使镜头的光学性能产生裂变——为抑制这种性能裂变及外形尺寸的增加，一般可通过采用非球面透镜来解决。采用非球面透镜，可以有效补偿像差、减少透镜的使用个数，进而实现小型化设计。

　　近年来，正在研发中的多种焦距手动变焦镜头汲取了市场的这些需求，具有与从前的F1.4镜头同等的大小，实现了小型化，同时，在达到F0.95-F1.0时亦可维持较高的光学性能(效果比较如图3)。如某系列镜头，拥有F0.95的光通量、全长38.3mm的外形，实现了高光通量、高性能、和小型化的完美结合。

图3 F0.95（左）个F1,4的效果比较（照度为5lux)

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　　监控广角化

　　在电梯轿厢、ATM机等狭窄场所中设置监控点，以前都是通过架设多台摄像机来达到无死角监控，而市场提出只用一台摄像机就可以完成监控任务，可通过摄像机大视野的监控获取丰富的信息量。像这样寻求实施广角监控，减少监控摄像机设置台数的需要愈来愈多。

　　追求大视角化的同时，需要尽量避免随之而产生的前镜片口径增大、外形尺寸大型化、失真增加等问题，使广角镜头实现以往多种焦距手动变焦镜头具有的同等光学性能和外形尺寸等。

　　百万像素对应镜头

　　在追求高精度图像的全球潮流中，应用于监控、FA(工业化)领域摄像机的摄像传感器也正在朝着高像素的方向发展。为了能以更加精细的被测物图像信息为基础进行监视、分析，300-500万像素的网络摄像机接连不断地被投放市场。另一方面，模拟监控摄像机的分辨率也从过去的380TVL提升到了540TVL、580TVL。

　　为了配合这些高清摄像机，镜头也从对应130-150万像素发展到对应500万像素，新型镜头接二连三地被研发出来，如鱼眼镜头、100mm左右的定焦镜头产品等;近年来，多种焦距手动变焦镜头，甚至长焦距的电动变倍镜头也相继推出，并实现了商品化。

　　而由于随着摄像传感器像素的提高，每一个像素点的尺寸也随之变小，因此，评价镜头MTF(Modulation Transfer Function，是目前分析镜头的解像力与反差再现能力方面比较科学的方法)的空间频率数的数值也变大，并要求能分辨出更加细微的线幅(有关比较见表1)。为能有效发挥高像素的性能，这些镜头不仅在画面中心，而且在画面边缘也拥有高分辨率、高对比度。同时，监控、FA用镜头不仅降低了失真、拥有的画面边缘光量大的多的光学性能，还装备有耐振动、耐冲击的坚固的镜体结构，防止发生偏焦的锁定旋钮等，在镜头结构、操作性能上实施了很多改进。