浅析镜头产品中几个技术概念 - 安防知识网

在工程应用中，常会遇到镜头的外壳破裂、螺丝滑丝、镜片脱落、变焦聚焦无法控制、光圈打不开、整体或局部画面发虚、画面聚焦不实等。在这些"症状"中，每个问题都可以引申出很多话题，本文主要简单介绍AS非球面、SD超低色散和红外ED等几个容易混淆的技术概念。

镜头是监控系统的最前端，其重要性好比人的眼睛，一旦没有了它，整个世界会黯然失色。因此镜头对于监控系统的贡献绝不亚于摄像机、监视器或是DVR、线缆等任何一种。既然是眼睛，就会伴随着“眼疾”的存在，如：“眼睛干涩”、“近视眼”、“花眼”、“红眼”、“沙眼”、“结膜炎”、“青光眼”、“白内障”等等。镜头亦是如此，跟镜头有关系的监控问题也很多，如外壳破裂、螺丝滑丝、镜片脱落、变焦聚焦无法控制、光圈打不开、光圈无变化、眩光、画面闪烁、整体或局部画面发虚、画面聚焦不实等等。在这些"症状"中，每个问题都可以引申出很多话题，今天就大家容易混淆的几个技术概念：AS非球面、SD超低色散和红外ED，来简单介绍一下。

之所以说以上几个概念容易混淆，主要是因为原理图的关系，下面逐一进行分析。

AS非球面
如图1所示，一般镜头中所用的镜片，都可以看作是球体的一部分，它的表面曲率是固定的，在由光轴上同一物点发出的光线，通过镜头后，在像场空间上不同的点会聚，从而发生了结像位置的移动，这就是球面像差。它的产生是由于离轴距离不同的光线在镜片表面形成的入射角不同而造成的。当平行的光线由镜面边缘（远轴光线）通过时，它的焦点位置比较靠近镜片；而由镜片的中央通过的光线（近轴光线），它的焦点位置则比较远离镜片。这种沿着光轴的焦点间错开的量，称为纵向球面像差。由于这种像差的缘故，会在通过镜头中心部分的近轴光线所结成的影像周围，形成由通过镜头边缘部分的光线所产生的光斑，使人感到所形成的影象变成模糊不清，画面整体好象蒙上一层纱似的，变成缺少鲜锐度的灰蒙蒙的影像。这个光斑的半径称为横向球面像差。

可以想象，在镜头光圈全开，或接近全开时，镜头的通光量大，像差对于成像的影响也大，而且口径越大的镜头，这种影响越明显。这也在一个侧面解释了，为什么在光圈全开时，成像的锐度不如光圈收小的问题。因此，有时适当地采用小一些的光圈，可以有效地提高成像画质，增加景深，避免因为光圈过大而引起的焦点较浅，容易跑焦与画面锐度不够的情况。但单靠收小光圈来降低像差对成像的影响并不是一个根本的解决方案，因为如果像差过大，通过缩小光圈消除像差时，可能会引起聚焦面的移动。对于球面镜片的球面像差矫正，通常是以某一个入射距的光线为基准，然后使用凸、凹两枚镜片加以适当的组合来完成，但这种方法并不彻底，想要完全消除球面像差，现有条件下只有采用非球面镜片来实现（如图2）。

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非球面镜就是为了校正球面像差而开发出来的，功能就是通过修改镜片表面的曲率，让近轴光线与远轴光线所形成的焦点位置完全重合。这样画面整体感觉会锐利而清晰，边缘部分的解像力也大为提高。

通常一片非球面镜片就能达到多个球面镜片矫正像差的效果，因此可以减少镜片的数量，使得镜头的精度更佳、清晰度更好、色彩还原更为准确、镜头内的光线反射得以降低，镜头体积也相应缩小。非球面镜头具有变倍高、物距短、光圈大的特点。变倍高可以简化镜头的种类，物距短可以应用在近距离摄像的场合，光圈大则可以适应光线较暗的场所，因此应用领域日渐宽广。

SD超低色散
复合光（白光）通过三棱镜等分光器被分解为各种单色光的现象，叫做光的色散。分开的单色光依次排列而成的光带叫做光谱。各种颜色的光在真空中都以恒定的速度传播；而在介质中，光波的传播速度要减小；而且不同波长的光波，传播速度也各不相同。因此，同一介质对不同的单色光折射率是不同的，红色光的折射率最小，紫色光的折射率最大，分离之后，聚焦于不同点（如图3）。

消色差就是使得色光能重新聚焦在同一点。最初的消色差只能针对某两种色光进行，后来改进为可以对某三种色光，就称为复消色差。为了实现复消色差，可以采用很多种手段。其中最常见的减低色差方法就是应用低色散镜片，该镜片材料具有超低色散系数，有助于减小色差，一般被应用于长焦镜头中（如图4）。

低色散镜片在镜组中的构成片数及镜片大小也是因镜头的设计取向而定，一般而言，它在一个镜组中镜片越大越好、越多越好。但由于低色散镜片的制造成本要高于普通镜片，所以目前市场上采用这种SD超低色散镜片的产品还不是太多。如日系某品牌电动系列变焦镜头里就采用了SD超低色散镜片。[nextpage]

红外ED
光作为一种带有能量的电磁波，具有波的特性，肉眼可见的波长范围是350nm-700nm，称之为可见光；波长为700nm以上的光称之为红外光，红外光是肉眼不可见的，但摄像机的图像传感器却可以感知并成像。

作为一个基本物理现象，不同波长的光线通过镜头之后，因折射率不同，聚焦面的位置不同，普通镜头只能让可见光汇聚于一个聚焦面，但对波长更长的红外光无法与可见光汇聚于同一个面。所以在镜头将可见光的焦面汇聚于摄像机CCD的靶面时，红外光线所成的焦面与可见光的焦面不在一个面上，由于色差及聚焦面的偏移，就会导致成像画面模糊。红外镜头（亦称红外矫正镜头）采用了特殊的ED玻璃材料，可见光与红外光通过时，汇聚的焦面可以聚合成一个面，这样就保证了24小时复杂光源条件下的成像依然清晰锐利。为了防止使用普通镜头时，红外光作为杂光影响成像，所以普通的摄像机CCD前面一般会有红外滤光镜（IR Cut Filter）将红外光滤掉，以保证可见光可以成像清晰。但在光线微弱的场景，如黄昏或夜晚，可见光已达不到摄像机CCD最低照度时，就需要外加红外灯来帮助成像，这时就要将CCD前的红外滤光镜移开，让尽可能多的红外光进来。但是，这种日夜型彩转黑摄像机，在与普通的镜头配合时，虽然也可以让红外光通过，但却无法解决焦面偏移的问题，画面依然会出现模糊；只有与红外镜头配合时，并且外加红外光源，才可以得到最好的效果（如图5）。这种红外的效果，有些厂家采用的是宽域的镀膜来增加红外光透过率，更有效的是采用特殊的玻璃材料来实现。红外光因为波长较长，具有很好的穿透性，如穿透烟雾、水气等，所以红外镜头在易因大雾引发事故的高速公路、河道、船只进出港以及经常大雾弥漫的边海防监控等场景中，具有不可替代的作用。

结语
以上三种技术中，非球面镜片主要是为了提高图像的锐度，也解决了边缘像质太差的问题；超低色散镜片主要是解决了可见光部分的色散问题，可以令色彩还原比较逼真，并且提高了成像的锐度；红外镜片则解决了可见光及近红外光无法共焦面的问题，在全天候的监控场景中将得到广泛应用。