如何檢測光學(xué)鏡頭紅外離焦性能指標(biāo)

1、概述

　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們安全防范意識的提高，30年來安防業(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(qiáng)有力的推動。圖像傳感器和光學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，日夜監(jiān)控攝像機(jī)從以前白天看得清、晚上看得見，逐漸提升到百萬像素?cái)z像機(jī)的白天看得細(xì)、晚上看得清的要求，作為攝像機(jī)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(也稱偏焦、失焦)問題，目前市場上提供的鏡頭都號稱帶有IR矯正功能滿足日夜兩用的要求，但在攝像機(jī)工廠或者客戶使用過程中并非如此，往往存在到晚上就變模糊或者清晰度下降現(xiàn)象和虛標(biāo)鏡頭參數(shù)的行為，如何檢測和甄別光學(xué)鏡頭紅外偏焦的參數(shù)指標(biāo)是擺在行業(yè)內(nèi)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(jiān)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)鏡頭在白天可見光和850nm紅外光都能看得清楚。但由于玻璃存在色散現(xiàn)象(玻璃對不同波長的光具有不同折射率特性所致)導(dǎo)致鏡頭很難保證從可見光(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)會產(chǎn)生焦平面偏移，晚上會產(chǎn)生圖像模糊的現(xiàn)象，俗稱跑焦或者偏焦。

　　玻璃的色散特性可見光和紅外光焦平面偏移　　

　　3、鏡頭IR矯正

　　隨著百萬高清IP攝像機(jī)越來越普及，現(xiàn)在安防行業(yè)監(jiān)視主要任務(wù)要解決晚上監(jiān)控從看得見上升到看得清問題，要求一種從可見光譜到近紅外光都能適應(yīng)的寬光譜攝像鏡頭。它與普通鏡頭的差別是用近紅外LED主動式照明，根據(jù)市場日夜兩用鏡頭技術(shù)性能來分，主要有國內(nèi)和國外兩種方式：

　　國內(nèi)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》專利技術(shù)，把光譜范圍分為可見光譜區(qū)和近紅外光譜區(qū)，提出了寬光譜共焦面來評價(jià)鏡頭的成像質(zhì)量觀點(diǎn)來設(shè)計(jì)IR矯正鏡頭。

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

　　設(shè)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(shù)的攝像機(jī)工廠或者光學(xué)廠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判斷，即生產(chǎn)或者品檢人員將攝像機(jī)鏡頭對著景物或者樣板調(diào)好鏡頭焦面，然后到暗房看紅外對焦的效果是否滿足清晰的要求。全靠人工去判斷，個人主觀因素影響很大，沒有專業(yè)的檢測設(shè)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(jī)產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性。

　　5、檢測紅外離焦性能儀器

　　福州銳景達(dá)光電科技有限公司根據(jù)市場需求,結(jié)合光學(xué)、精密機(jī)械、電子、軟件等專利技術(shù)，國內(nèi)首創(chuàng)開發(fā)了涵蓋鏡頭紅外離焦量測量等多項(xiàng)參數(shù)的“高效在線式鏡頭參數(shù)檢測儀”，是一種自動計(jì)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(xiàng)性能指標(biāo)，為定量分析鏡頭IR矯正性能提供了依據(jù)和參考，也為行業(yè)客戶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(jié)果截圖。

　　鏡頭參數(shù)檢測儀紅外離焦實(shí)測結(jié)果截圖

　　實(shí)測結(jié)果記錄下面四個參數(shù)值(焦距f=6mm)：

　　第一：白天(白光)時(shí)最佳清晰度為151線對/mm;

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

　　第三：晚上紅外時(shí)最佳清晰度為126線對/mm

　　第四：鏡頭紅外離焦量為0.050mm(俗稱為5絲)

　　結(jié)果分析得知：

　　1)、如果攝像機(jī)在白天調(diào)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線對/mm下降到36線對/mm、下降了74%，(假設(shè)用1/2.7” SENSOR的話，即由白天近200萬像素的清晰度下降到晚上連30萬像素都不到)，白天和晚上清晰度下降很多，肉眼明顯感覺到圖像模糊。

　　2)、鏡頭紅外離焦量為0.050mm,說明白天和晚上焦平面有0.050mm偏移，偏移量較大，說明IR矯正設(shè)計(jì)并不理想，即攝像機(jī)工廠在實(shí)際聚焦的過程中，很難找到一個折中的焦平面位置。

　　3)、紅外時(shí)最佳清晰度為126線對/mm,比較接近白天的151線對/mm,這個參數(shù)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(dá)公司利用“高效在線式鏡頭參數(shù)檢測儀”對國內(nèi)外各個廠家生產(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(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然各廠家都宣稱其鏡頭都具有IR矯正功能，但就四項(xiàng)指標(biāo)的測量結(jié)果來看，各個生產(chǎn)商的鏡頭有較大差異，結(jié)合其客戶反饋信息來看，測量性能指標(biāo)低的，客戶普遍反饋差，性能指標(biāo)高的，客戶普遍反饋良好?？梢娡ㄟ^此檢測儀測量的指標(biāo)數(shù)值如實(shí)反應(yīng)了鏡頭的性能和客戶使用的結(jié)果?？偨Y(jié)如下(下面數(shù)值僅供行業(yè)內(nèi)參考)：

　　1)、鏡頭紅外離焦量值越小越好。如果應(yīng)用在模擬標(biāo)清(35～70萬像素)的攝像機(jī)時(shí)，離焦量不大于0.040mm(俗稱4絲);如用于百萬高清的IP攝像機(jī)(100～300萬像素)的話，離焦量不大于0.020mm(俗稱2絲)，離焦量越大、攝像機(jī)生產(chǎn)或者使用很難找到一個兼顧白天、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(biāo)清(35～70萬像素)的攝像機(jī)時(shí)，建議其下降度不能超過50%;如果用在百萬IP(130～300萬像素)攝像機(jī)時(shí)，建議其下降度不能超過30%;否則在晚上紅外模式時(shí)會明顯感覺到模糊。

　　3)、鏡頭紅外離焦補(bǔ)償方法。根據(jù)測量得到的紅外離焦量數(shù)值來計(jì)算IR-CUT補(bǔ)償片厚度差(即白天補(bǔ)償片厚度減晚上補(bǔ)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(bǔ)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(dá)到白天/晚上共焦面的目的。但使用這種方式來補(bǔ)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，就會發(fā)現(xiàn)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，總體感覺整個畫面不夠清晰。建議一般用于晚上純紅外照明的室內(nèi)環(huán)境使用為佳。如果紅外離焦量小，不建議使用補(bǔ)償片。

　　4)、當(dāng)前百萬高清的IP攝像機(jī)不但對鏡頭清晰度要求越來越高(從普通63線對/mm到200線對/mm),而且對日夜兩用鏡頭的紅外離焦量要求越來越小。鏡頭制造商將來的目標(biāo)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(biāo)外，還要兼顧其它的指標(biāo)：清晰度、通光量(F數(shù))、焦距等，是一個多參數(shù)綜合選擇的結(jié)果。

　　參考文獻(xiàn)

　　1、 賴愛光等發(fā)明專利：《高清晰寬光譜共焦面視頻攝像鏡頭》(專利號201010182785.0)

　　2、 王之江主編《實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊》

　　3、 銳景達(dá)“高效在線式鏡頭參數(shù)檢測儀”使用手冊 　

【作者：黃思尚，單位：福州銳景達(dá)光電】