如何檢測光學(xué)鏡頭紅外離焦性能指標

1、概述

　　隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和人們安全防范意識的提高，30年來(lái)安防業(yè)得到迅猛的發(fā)展，加之“平安城市”口號的提出和實(shí)施，給安防行業(yè)強有力的推動(dòng)。圖像傳感器和光學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，日夜監控攝像機從以前白天看得清、晚上看得見(jiàn)，逐漸提升到百萬(wàn)像素攝像機的白天看得細、晚上看得清的要求，作為攝像機核心部件的光學(xué)鏡頭在日夜兩用方面提出更高的要求，主要困擾之一就是光學(xué)鏡頭晚上紅外離焦(也稱(chēng)偏焦、失焦)問(wèn)題，目前市場(chǎng)上提供的鏡頭都號稱(chēng)帶有IR矯正功能滿(mǎn)足日夜兩用的要求，但在攝像機工廠(chǎng)或者客戶(hù)使用過(guò)程中并非如此，往往存在到晚上就變模糊或者清晰度下降現象和虛標鏡頭參數的行為，如何檢測和甄別光學(xué)鏡頭紅外偏焦的參數指標是擺在行業(yè)內共同課題。

　　2、鏡頭產(chǎn)生紅外離焦的原因

　　目前安防重點(diǎn)和難點(diǎn)是晚間監控，行業(yè)普遍采用晚上850nm紅外燈作為輔助光源，要求光學(xué)鏡頭在白天可見(jiàn)光和850nm紅外光都能看得清楚。但由于玻璃存在色散現象(玻璃對不同波長(cháng)的光具有不同折射率特性所致)導致鏡頭很難保證從可見(jiàn)光(400～700nm)到紅外光850nm時(shí)焦平面是一致的，晚上切換到紅外燈時(shí)會(huì )產(chǎn)生焦平面偏移，晚上會(huì )產(chǎn)生圖像模糊的現象，俗稱(chēng)跑焦或者偏焦。

　　玻璃的色散特性可見(jiàn)光和紅外光焦平面偏移　　

　　3、鏡頭IR矯正

　　隨著(zhù)百萬(wàn)高清IP攝像機越來(lái)越普及，現在安防行業(yè)監視主要任務(wù)要解決晚上監控從看得見(jiàn)上升到看得清問(wèn)題，要求一種從可見(jiàn)光譜到近紅外光都能適應的寬光譜攝像鏡頭。它與普通鏡頭的差別是用近紅外LED主動(dòng)式照明，根據市場(chǎng)日夜兩用鏡頭技術(shù)性能來(lái)分，主要有國內和國外兩種方式：

　　國內鏡頭制造商：主要采用了《高清晰寬光譜共焦面視頻攝像鏡頭》專(zhuān)利技術(shù)，把光譜范圍分為可見(jiàn)光譜區和近紅外光譜區，提出了寬光譜共焦面來(lái)評價(jià)鏡頭的成像質(zhì)量觀(guān)點(diǎn)來(lái)設計IR矯正鏡頭。

　　國外鏡頭制造商：主要采用非球面、低色散系數玻璃、偏離阿貝系數直線(xiàn)的玻璃對組合的選取、減少可見(jiàn)光與近紅外光像面偏移。

　　設想的鏡頭IR矯正

　　4、目前檢測和甄別鏡頭紅外離焦方法

　　目前絕大多數的攝像機工廠(chǎng)或者光學(xué)廠(chǎng)家檢測鏡頭紅外離焦往往都是采用白天和暗房對比法，依靠肉眼人工目視方法來(lái)判斷，即生產(chǎn)或者品檢人員將攝像機鏡頭對著(zhù)景物或者樣板調好鏡頭焦面，然后到暗房看紅外對焦的效果是否滿(mǎn)足清晰的要求。全靠人工去判斷，個(gè)人主觀(guān)因素影響很大，沒(méi)有專(zhuān)業(yè)的檢測設備能定量檢測鏡頭紅外離焦的性能高低、好壞，難于保證攝像整機產(chǎn)品的一致性和穩定性。

　　5、檢測紅外離焦性能儀器

　　福州銳景達光電科技有限公司根據市場(chǎng)需求,結合光學(xué)、精密機械、電子、軟件等專(zhuān)利技術(shù)，國內首創(chuàng )開(kāi)發(fā)了涵蓋鏡頭紅外離焦量測量等多項參數的“高效在線(xiàn)式鏡頭參數檢測儀”，是一種自動(dòng)計算、記錄和顯示一體化的智能檢測儀器?？芍苯訙y量鏡頭紅外離焦的各項性能指標，為定量分析鏡頭IR矯正性能提供了依據和參考，也為行業(yè)客戶(hù)提供了一種檢測和甄別鏡頭紅外離焦性能的工具和手段。下圖是實(shí)際測量結果截圖。

　　鏡頭參數檢測儀紅外離焦實(shí)測結果截圖

　　實(shí)測結果記錄下面四個(gè)參數值(焦距f=6mm)：

　　第一：白天(白光)時(shí)最佳清晰度為151線(xiàn)對/mm;

　　第二：切換到紅外(850nm)時(shí)由白天151線(xiàn)對/mm下降到36線(xiàn)對/mm

　　第三：晚上紅外時(shí)最佳清晰度為126線(xiàn)對/mm

　　第四：鏡頭紅外離焦量為0.050mm(俗稱(chēng)為5絲)

　　結果分析得知：

　　1)、如果攝像機在白天調整到最佳清晰度，等晚上切換到紅外時(shí)，清晰度時(shí)由白天151線(xiàn)對/mm下降到36線(xiàn)對/mm、下降了74%，(假設用1/2.7” SENSOR的話(huà)，即由白天近200萬(wàn)像素的清晰度下降到晚上連30萬(wàn)像素都不到)，白天和晚上清晰度下降很多，肉眼明顯感覺(jué)到圖像模糊。

　　2)、鏡頭紅外離焦量為0.050mm,說(shuō)明白天和晚上焦平面有0.050mm偏移，偏移量較大，說(shuō)明IR矯正設計并不理想，即攝像機工廠(chǎng)在實(shí)際聚焦的過(guò)程中，很難找到一個(gè)折中的焦平面位置。

　　3)、紅外時(shí)最佳清晰度為126線(xiàn)對/mm,比較接近白天的151線(xiàn)對/mm,這個(gè)參數有待進(jìn)一步提升。

　　6、鏡頭IR矯正性能優(yōu)劣的探討

　　銳景達公司利用“高效在線(xiàn)式鏡頭參數檢測儀”對國內外各個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)的固定或者變焦IR鏡頭(焦距f=2.8mm到f=16m)進(jìn)行了測量。結果發(fā)現雖然各廠(chǎng)家都宣稱(chēng)其鏡頭都具有IR矯正功能，但就四項指標的測量結果來(lái)看，各個(gè)生產(chǎn)商的鏡頭有較大差異，結合其客戶(hù)反饋信息來(lái)看，測量性能指標低的，客戶(hù)普遍反饋差，性能指標高的，客戶(hù)普遍反饋良好?？梢?jiàn)通過(guò)此檢測儀測量的指標數值如實(shí)反應了鏡頭的性能和客戶(hù)使用的結果?？偨Y如下(下面數值僅供行業(yè)內參考)：

　　1)、鏡頭紅外離焦量值越小越好。如果應用在模擬標清(35～70萬(wàn)像素)的攝像機時(shí)，離焦量不大于0.040mm(俗稱(chēng)4絲);如用于百萬(wàn)高清的IP攝像機(100～300萬(wàn)像素)的話(huà)，離焦量不大于0.020mm(俗稱(chēng)2絲)，離焦量越大、攝像機生產(chǎn)或者使用很難找到一個(gè)兼顧白天、晚上清晰度都能接受的焦平面。

　　2)、鏡頭從白天切換到紅外時(shí)的清晰度下降不能太大。如果用在模擬標清(35～70萬(wàn)像素)的攝像機時(shí)，建議其下降度不能超過(guò)50%;如果用在百萬(wàn)IP(130～300萬(wàn)像素)攝像機時(shí)，建議其下降度不能超過(guò)30%;否則在晚上紅外模式時(shí)會(huì )明顯感覺(jué)到模糊。

　　3)、鏡頭紅外離焦補償方法。根據測量得到的紅外離焦量數值來(lái)計算IR-CUT補償片厚度差(即白天補償片厚度減晚上補償片厚度。因白天比晚上用的厚些)。厚度差約=3*紅外離焦量(mm)，此時(shí)所用補償片材料為K9玻璃(折射率為1.517)。原理是使白天的焦平面往后移，接近晚上紅外時(shí)的焦平面位置，這樣就達到白天/晚上共焦面的目的。但使用這種方式來(lái)補償紅外偏移量較大(比如大于0.040mm)的鏡頭時(shí)，在晚上既有燈光又有紅外燈的情況下，就會(huì )發(fā)現燈光覆蓋的部分比較模糊、紅外燈覆蓋的部分比較清晰的缺陷，總體感覺(jué)整個(gè)畫(huà)面不夠清晰。建議一般用于晚上純紅外照明的室內環(huán)境使用為佳。如果紅外離焦量小，不建議使用補償片。

　　4)、當前百萬(wàn)高清的IP攝像機不但對鏡頭清晰度要求越來(lái)越高(從普通63線(xiàn)對/mm到200線(xiàn)對/mm),而且對日夜兩用鏡頭的紅外離焦量要求越來(lái)越小。鏡頭制造商將來(lái)的目標就是消除紅外離焦。

　　5)、選擇一款好的日夜兩用鏡頭，除了紅外離焦性能指標外，還要兼顧其它的指標：清晰度、通光量(F數)、焦距等，是一個(gè)多參數綜合選擇的結果。

　　參考文獻

　　1、 賴(lài)愛(ài)光等發(fā)明專(zhuān)利：《高清晰寬光譜共焦面視頻攝像鏡頭》(專(zhuān)利號201010182785.0)

　　2、 王之江主編《實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊》

　　3、 銳景達“高效在線(xiàn)式鏡頭參數檢測儀”使用手冊 　

【作者：黃思尚，單位：福州銳景達光電】