‧ 如何檢測光學鏡頭紅外線離焦性能指標

來源:CPS中安網 作者:黃思尚 

隨著經濟的發展和人們安全防範意識的提高，30年來安防業得到迅猛的發展，加之智慧城市口號的提出和實施，給安防行業強有力的推動。

1、概述

圖像感測器和光學技術不斷進步，日夜監控攝影機從以前白天看得清、晚上看得見，逐漸提升到百萬像素攝影機的白天看得細、晚上看得清的要求，作為攝影機核心部件的光學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鏡頭晚上紅外線離焦(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，但在攝影機工廠或者客戶使用過程中並非如此，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，如何檢測和辨別光學鏡頭紅外線偏焦的參數指標，是擺在行業內共同課題。

　　

2、鏡頭產生紅外離焦的原因

目前安防重點和難點是夜間監控，行業普遍採用晚上850nm紅外LED作為輔助光源，要求光學鏡頭在白天可見光和850nm紅外光都能看得清楚。但由於玻璃存在色散現象(玻璃對不同波長的光具有不同折射率特性所致) ，導致鏡頭很難保證從可見光(400～700nm)到紅外光850nm時焦平面是一致的，晚上切換到紅外LED時，會產生焦平面偏移，晚上會產生圖像模糊的現象，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攝影機越來越普及，現在安防行業監視主要任務要解決，晚上監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的寬光譜攝影鏡頭。它與普通鏡頭的差別是用近紅外LED主動式照明，根據市場日夜兩用鏡頭技術性能來分，主要有陸製和國際兩種方式：

　　

大陸鏡頭製造商：主要採用了《高清晰寬光譜共焦面視頻攝影鏡頭》專利技術，把光譜範圍分為可見光譜區和近紅外光譜區，提出了寬光譜共焦面，來評價鏡頭的成像品質觀點，來設計IR矯正鏡頭。

國際鏡頭製造商：主要採用非球面、低色散係數玻璃、偏離阿貝係數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。

　　設想的鏡頭IR矯正

　　

4、目前檢測和辨別鏡頭紅外離焦方法

目前絕大多數的攝影機工廠或者光學廠家檢測鏡頭紅外離焦往往都是採用白天和暗房對比法，依靠肉眼人工目視方法來判斷，即生產或者品檢人員將攝影機鏡頭對著景物或者樣板調好鏡頭焦面，然後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，沒有專業的檢測設備能定量檢測鏡頭紅外離焦的性能高低、好壞，難於保證攝影整機產品的一致性和穩定性。

紅外線攝影機	暗房

　　

5、檢測紅外離焦性能儀器

福州銳景達光電根據市場需求,結合光學、精密機械、電子、軟體等專利技術，開發了涵蓋鏡頭紅外離焦量測量等多項參數的“高效線上式鏡頭參數檢測儀”，是一種自動計算、記錄和顯示一體化的智慧檢測儀器。可直接測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，也為行業客戶提供了一種檢測和辨別鏡頭紅外離焦性能的工具和手段。下圖是實際測量結果截圖。

鏡頭參數檢測儀紅外離焦實測結果截圖

　　

實測結果記錄下面四個參數值(焦距f=6mm)：

第一：白天(白光)時最佳清晰度為151線對/mm;

第二：切換到紅外(850nm)時由白天151線對/mm下降到36線對/mm

第三：晚上紅外時最佳清晰度為126線對/mm

第四：鏡頭紅外離焦量為0.050mm(俗稱為5絲)

　　

結果分析得知：

1)、如果攝影機在白天調整到最佳清晰度，等晚上切換到紅外時，清晰度時由白天151線對/mm下降到36線對/mm、下降了74%，(假設用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矯正設計並不理想，即攝影機工廠在實際聚焦的過程中，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,這個參數有待進一步提升。

　　

6、鏡頭IR矯正性能優劣的探討

銳景達利用“高效線上式鏡頭參數檢測儀”對各個廠家生產的固定或者變焦IR鏡頭(焦距f=2.8mm到f=16m)進行了測量。結果發現雖然各廠家都宣稱其鏡頭都具有IR矯正功能，但就四項指標的測量結果來看，各個生產商的鏡頭有較大差異，結合其客戶回饋資訊來看，測量性能指標低的，客戶普遍回饋差，性能指標高的，客戶普遍回饋良好。可見通過此檢測儀測量的指標數值如實反應了鏡頭的性能和客戶使用的結果。總結如下(下面數值僅供行業內參考)：

　　

1)、鏡頭紅外離焦量值越小越好。如果應用在類比標清(35～70萬像素)的攝影機時，離焦量不大於0.040mm(俗稱4絲);如用於百萬高清的IP攝影機(100～300萬像素)的話，離焦量不大於0.020mm(俗稱2絲)，離焦量越大、攝影機生產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的清晰度下降不能太大。如果用在類比標清(35～70萬像素)的攝影機時，建議其下降度不能超過50%;如果用在百萬IP(130～300萬像素)攝影機時，建議其下降度不能超過30%;否則在晚上紅外模式時會明顯感覺到模糊。

　　

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後移，接近晚上紅外時的焦平面位置，這樣就達到白天/晚上共焦面的目的。

但使用這種方式來補償紅外偏移量較大(比如大於0.040mm)的鏡頭時，在晚上既有燈光又有紅外LED的情況下，就會發現燈光覆蓋的部分比較模糊、LED覆蓋的部分比較清晰的缺陷，總體感覺整個畫面不夠清晰。建議一般用於晚上純紅外照明的室內環境使用為佳。如果紅外離焦量小，不建議使用補償片。

　　

4)、當前百萬高清的IP攝影機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。鏡頭製造商將來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，是一個多參數綜合選擇的結果。

　　

參考文獻

1、 賴愛光等發明專利：《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《實用光學技術手冊》

3、 銳景達“高效線上式鏡頭參數檢測儀”使用手冊