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高清镜头技术及应用发展目前趋势分析

http://www.secu.hc360.com2014年12月31日12:06 来源:安防知识网T|T

    慧聪安防网讯    随着高清念发展的日趋明显,安防行业技术慢慢走向成熟。对监控领域而言,百万高清发展更是如火如荼。高清摄像机的出现给安防系统的图像质量带来了大幅度的提升,如720P、1080P的IP高清摄像机,3M、5M分辨率的工业高清摄像机等,与之配套的高清镜头在市场上也如雨后春笋般大量出现。

    高清镜头,也称百万像素镜头,与普通工业镜头相比具有清晰度高、光谱透射能力强、光谱矫正能力高等性能优势。而随着高清发展态势的日趋激烈,各类高清镜头及摄像机产品的应用也日益广泛,百万像素镜头已成为行业应用的焦点之一。

    摄像机镜头是视频监视系统关键设备之一,它的质量(指标)将直接影响摄像机的整机指标,摄像机镜头的选择是否恰当既关系到系统质量,又关系到工程造价。但面对形态各异的高清监控产品与千变万化的应用场景,百万高清监控镜头在各类场景的复杂光线环境下,都要为摄像机带来出色的成像效果,这就需要高清监控镜头具备一定的技术含量。

    非球面镜片技术是百万高清镜头一项非常重要的技术,也是镜头获得高清效果的重要保证。传统的球面镜片具有球面像差的先天缺陷,从而带来了无法克服的光斑现象,极大地影响摄像机成像质量。

    非球面镜片具有良好的透光性和低折射率,使用一片非球面镜片可以代替一组球面镜片,从而使摄像机镜头的光学结构相对简化,这样在光学通路和机械结构上容易获得更大的通光口径。并且,非球面镜头能使边缘部分的光线与中央部分的光线都能穿过镜片而聚焦到同一个平面,从而能清晰有效地利用整个镜片的表面,使整个镜片都能正确聚焦,并使有效通光口径变大。

    非球面镜头的有效通光口径增大,就能让更多的光线投射到CCD或CMOS的感光面上,也即增加了摄像机的灵敏度。并且,因为一片非球面镜片能顶替好几片或一组的球面镜片,从而使摄像镜头的体积缩小、重量也减轻,又因光线经过的镜片少,因而使透光率大大增强,图像画面也变得细致明亮。

    非球面镜片的重要特点是可以改善镜片边缘部分对光的折射率,使镜头的边缘成像变好。而球面镜片,尤其高倍率球面镜头,更容易出现球差和图像失真,尤其光线在球面镜头边缘经过折射会引成桶形失真,而将非球面镜头用于高倍率的变焦镜头时,由于非球面镜头将边缘入射的光线按球面镜头失真的反方向进行了修正,从而有效地消除了桶形失真。非球面的设计修正了影像不清、视界歪曲、视野狭小等不良现象,使成像更清晰、更细腻,通常用于广角和超广角镜头中,适合广场、停车场等大范围监控场所。

    百万像素镜头技术中“透光率”的大小直接影响着镜头的清晰度高低,是高清画质不可或缺的重要条件。“透光率”是指镜头镜片的透光能力,主要决定因素是镀膜技术。所谓镜头镀膜是利用真空蒸汽沉积技术在镜头表面镀上一层极薄的透明的膜,防反射的膜层能产生增透效果,透光率越高,透光量就越大,照度要求也就越低。在逆光摄影时,由于膜层影响,能使易产生的幻像和光晕降低到最小程度,尤其在夜间监控条件下,照度的高低是一个夜间镜头品质的决定因素。

    随着加工技术的进步和使用范围的不断扩大,产生了高度技术化的多层镀膜技术,使用多层镀膜技术可实现防光线反射,促进光线增透,提升镜头的整体通光量,最终提高成像质量。可以这么说,没有多层镀膜技术的飞跃发展,高倍、大孔径变焦镜头不可能有今天的发达局面。

    最近多组透镜构成的变焦镜头已成世界镜头发展的主流,采用多层镀膜,到达胶片面的光线,其衍生的杂散光部分大大减小,使镜头鉴别率(解析率)不至于降低,也不损坏色彩还原。重新评价经改进的膜层,研制在各种镜头中引入最适宜的镀膜最新技术,是各厂家一直研究的重要课题。

    镜片镀膜看似是一道“后加工”步骤,其镀膜涂料依每个厂家的技术会有差异,所有监控镜头涂层都不能保证完全一致,因此,了解涂料将直接影响着镜头的性能。透镜涂层的主要类型包括纳米涂层、集成涂层、复合涂层和透明涂层,还有一些高性能涂层BBAR和高保真涂层,目前监控镜头以BBAR跟纳米涂层方式较多,其余大多用于DSC或单反相机镜头较多。

    作为在成像过程中起到关键作用的镜头,其应用上应注意以下几大问题。

    采用ED镜片是关键

    常用的安防监控市场,更多地采用的是定焦或者手动变焦的镜头,因为监控距离较近,一般采用的镜头焦距在50mm以内。这种场景对镜头的防色散性能几乎没有要求。但一旦采用了电动变焦镜头来对较远目标进行监控,色散问题就凸显出来(色散是可见光中的各种波长的光经过镜头折射后会出现焦点偏移,表现在图像上就是物体边缘有蓝色或者红色的色条)。原来在模拟监控系统,由于像元尺寸较大,色散的问题不是很突出,只有在配置300mm焦距以上的情况下才会表现出来。而进入高清时代,在常用的120mm焦距段的电动变焦镜头,已经比较明显地可看到这个问题,这就在材质和镀膜精度上对镜头有了更高的要求。配合的摄像机清晰度越高,镜片材质对成像效果的影响越发明显。高清电动变焦镜头采用ED镜片,在长焦距远距离监控时,可以为摄像机提供更加清晰的画面效果。

    选择大口径设计镜头

    采用ED镜片的镜头并不能完全解决远距离监控问题。通常把720P以上清晰度输出的图像称为高清图像。而根据市场的自由选择,大多采用的是1080P的输出格式。在远距离监控领域,用户希望用高清监控系统来提高画面的像素,进而更加清晰地观看远距离目标,而现实结果却差强人意,其中因由也不难揣测。我们现在采用的高清摄像机大多采用的是CMOS芯片,照度性能只能达到0.5Lux。而长焦镜头在焦距变化的过程中,光通量也会随之变化,焦距越长,光通量越小。当焦距拉长到最大值时,光通量减到最弱。虽然是白天,但对于摄像机来说,相当于面前被遮挡,只留了很小的孔透过光。在这种情况下,普通高清摄像机就会因为照度不够出现画面质量衰减。解决这种问题可以从两方面入手。

    1、采用针对远距离监控设计的高清摄像机,例如高清SDI摄像机,这种摄像机除了最低照度做到0.3Lux的同时,还针对远距离监控领域加入了针对色彩还原和低照度图像增强技术,使得在光通量下降时也能得到清晰的画面。

    2、提高焦距拉长时镜头的光通量。镜头一旦生产出来,光通量的范围即确定下来,不可更改。因此必须在选择镜头时挑选那些长焦距时光通量性能较好的产品。根据镜头的光学关系:F(光通量的反比)=f(焦距)/D(镜头前有效口径)。F值是光通量反比,这个值越小,光通量性能越好。那么在f相同的情况下,选择有效口径越大的镜头,得到的画面效果越好。

    IR功能不能被忽视

    用户关注高清系统,不只是关注白天能否得到清晰的画面,夜晚的监控性能也是关注的要点。

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