來源:CPS中安網 作者:黃思尚
1、 概述
如今越來越多的高清IP Camera在應用，鏡頭如網路攝影機的“眼睛”了
。“眼睛”的好壞很大程度上決定了攝影機性能的高低，直接影響了IP Camera的品質，廣大客戶對鏡頭是不是百萬、2百萬或者5百萬等清晰度指標更為關注，但對鏡頭通光量瞭解不足或者不重視。
目前市場上往往都是通過攝影機在暗房，依靠肉眼來觀察判斷白天時攝影機的亮度和紅外時攝影機的亮度、噪點等指標的效果，少數專業生產商在暗箱中放入照度計，來觀察鏡頭通光量對攝影機照度的影響，大多數客戶都是人眼觀察判斷為主，設計人員無法得到鏡頭通光量準確有效的資料來調試攝影機增益、曝光時間、電子快門等參數，隨著人員更替，往往靠肉眼經驗提供的資料也隨之帶走，無法保證企業產品長期穩定的一致性，因此人為觀察判斷存在差異大、一致性差等缺陷。
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暗房
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照度計
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2、 通光係數定義
眾所周知鏡頭的通光量與相對孔徑有關，相對孔徑大則通光量就大，在不考慮鏡片透過率的情況下是正確的。考慮了鏡片透過率後的鏡頭像面通光量如公式1所示。
隨著百萬鏡頭用的鏡片越來越多(至少要求6片玻璃的組合)、其鍍膜好壞等因素影響，鏡頭本身的透過率高低，對通光量影響不容忽視。(如果一個鏡頭有6片12面，不鍍增透膜時每面的透過率為95%，鍍多層膜後透過率為99.5%，那麼不鍍膜時鏡頭的總透過率為54%，鍍多層膜後鏡頭的總透過率為94%，是不鍍膜時的1.7倍。)尤其在晚上IR夜視情況，通光量大小直接影響成像品質和監控目標範圍大小。為了準確和真實反映鏡頭的通光量，這裡引入“通光係數”概念，它是透過率與相對孔徑平方的乘積(如公式2)，因此在特定的目標或者監控環境下(亮度L一致)，通光係數越高則通光量越大(如公式3)，測量通光係數的結果更準確反映了鏡頭通光量指標。
3、 測量通光係數
“高效線上式鏡頭參數檢測儀”結合了光學、機械、電子和軟體等四學科技術，利用先進的圖像測量技術、嵌入式智慧軟體替代傳統測量人工讀數、計算方式;自動測量、自動顯示、自動記錄、使測量結果更準確，更快捷、更穩定。除了能測量鏡頭通光係數外，還得測量鏡頭焦距、後截距、紅外離焦、F數、入瞳直徑和清晰度等10多項參數值，是一款專業綜合性的鏡頭參數測量儀器，定量檢測鏡頭各項重要指標，為客戶設計開發和檢驗鏡頭、攝影機參數設定提供依據和參考。
通光係數分別測量白光通光係數(針對白天時鏡頭的通光量)和紅外通光係數(針對紅外850nm時通光量)數值，白光和紅外由於鏡片鍍膜方式的不一致，鏡頭總體透過率相差10～40%左右(與鍍膜方式和玻璃鏡片多少有關)，最終影響白天和晚上的通光係數結果，因此分為兩種通光係數，更能準確反映每個鏡頭通光量的性能指標。
主功能表顯示測量結果
4、 實測通光係數分析
通過使用“高效線上式鏡頭參數檢測儀”對市場上的定焦和變焦百萬、標清鏡頭實測其白光和紅外通光係數結果，整理、分類和分析如下
1)、F數(相對孔徑)一致，通光係數不一致
說明：鏡頭1鍍膜為普通的單層鍍膜;鏡頭2為多層寬頻鍍膜
從實測對比結果得知：鏡頭2通光係數明顯高於鏡頭1，因此鏡頭通光量不僅僅與F數(相對孔徑)有關，還與透過率有關;透過率又與鍍膜方式相關，多層鍍膜透過率好于單層鍍膜。
下面兩個圖是某款鏡頭實際鍍膜曲線圖(多層鍍膜透過率明顯高於單層鍍膜)
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單層鍍膜曲線585nm
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可見光多層鍍膜曲線(400～700nm)
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2)、同一個鏡頭，白光和紅外通光係數不一致
說明:此6mm鏡頭是窄帶(白光400~700nm)多層鍍膜
從實測結果分析得知:同一個鏡頭由於鍍膜頻寬不一致,影響其不同光譜時的透過率,進而導致鏡頭通光量不一致,紅外通光係數低於白光紅外係數近20%;特別是日夜兩用IR鏡頭,850nm時透過率高低不容忽視.如下圖是某個品牌IR鏡頭的窄帶、寬頻鍍膜曲線對比圖
3)、重視鏡頭紅外時通光量
說明:兩款鏡頭均為2.8mm百萬鏡頭,均為多層寬頻鍍膜
從實測結果分析得知:在F數一致的情況下,鏡頭1紅外通光係數是92.7,而鏡頭2為80.3,通光量高出15%左右,因此鏡頭2在紅外夜視時有更好的通光表現.在滿足白天通光量足夠的情況,通過鍍膜工藝盡可能提升紅外夜視時的通光量是將來發展趨勢.
4)、F數(相對孔徑)對通光量影響更大
說明:兩款均為變焦鏡頭在短焦時的F數和通光係數
從實測結果分析得知：F1.02比F1.37相對孔徑大，其通光係數基本是按 規律在變化，因此鏡頭通光量因相對孔徑(F數)變化會更敏感。
5)、關注變焦鏡頭通光量變化
說明:市場上常見一款2.8-12mm鏡頭
從實測結果分析得知:變焦鏡頭供應商往往都是標注短焦時的F數,但長焦F數一般都沒有說明,實測結果來看,通光係數下降近3倍,同樣的紅外燈,從短焦調到長焦時,圖像亮度將會明顯變暗,因此客戶在使用中關注下變焦鏡頭通光量變化.
從實測結果總結歸納如下:
第一: F數(相對孔徑)是按 規律影響鏡頭通光量,但在相同F數時,鏡頭通光量因透過率不一致而產生差異,因此通光係數更準確反映鏡頭通光量性能指標。
第二: 影響鏡頭透過率主要是鏡頭鍍膜方式和鏡片數量有關,下面是單層和多層鍍膜對鏡頭透過率影響情況;從表(一)資料來看,百萬鏡頭多層鍍膜透過率比單層鍍膜高出15~35%,鏡片越多,兩者差別就越大,因此百萬鏡頭通光量不得不考慮鍍膜的因素。
鍍膜反射曲線圖
鏡頭鍍膜透過率分為單層和多層鍍膜,一般而言,單層鍍膜(增透膜為氟化鎂)每個面透過率大約為98%左右,多層鍍膜一般能做得到99.5%以上.
計算公式 (其中T是每個面透過率;n為鏡片面的數量,每片有2個面);比如5片鏡片鍍單層膜則透過率
表(一)
第三:目前百萬網路攝影機大多數都採用CMOS感測器,鏡頭在白天通光量很容易滿足,但在晚上紅外燈時,由於CMOS像感光圖元面積小,感光效果不如CCD,景深也變小，因此適當相對孔徑大些的鏡頭，同時更要注重紅外通光係數的提升,鏡頭鍍多層寬頻(400~1000nm)膜是比較可行的方案。
5、 如何選擇鏡頭通光係數
隨著百萬CMOS 網路攝影機越來越多應用，目前CMOS的感光面積一般都在2.4～3.75µm遠小於以前標清CCD的5.0～9.8µm，導致CMOS低照度性能遠不如CCD，因此選擇一款合適通光量鏡頭是研發部門需要考慮的事宜。
根據上述原理和“高效線上式鏡頭參數檢測儀”實測的結果分析，鏡頭通光係數更能準確反映鏡頭通光量，因此通光係數測量資料可以作為攝影機廠家工程師設定攝影機的曝光時間(或者電子快門)和增益的參考依據。
1)、攝影機因CMOS/CCD照度等因素不一致，對鏡頭通光量要求也不一樣。每個型號的CMOS/CCD圖像感測器都需要挑選適合其通光量的鏡頭。另外攝影機應用場合不一致，所用鏡頭的通光量也是有差異的。比如用於運動物體和靜止物體的監視時，同樣一台攝影機監視運動物體時需要大通光量的鏡頭(攝影機需減少快門時間)。
而靜止物體監視時可用攝影機慢快門來加大CMOS/CCD的曝光時間，可選擇通光量小的鏡頭。因此選擇鏡頭通光量時要因攝影機具體情況而定，沒有一個統一的標準，與CMOS/CCD固有性能和應用環境有關。
2)、鏡頭與攝影機現場調校來確定鏡頭的通光係數和F數。日夜紅外攝影機調校是為了保證攝影機在白天工作時圖像不要過曝(在自動電子快門時信號輸出一般在0.7～1.2Vpp)，在晚上紅外燈下工作時不能太暗(在自動電子快門時信號輸出≥0.5Vpp)。有條件的工廠可用信號示波器來檢測視訊訊號輸出值，沒條件的工廠可以在暗房內觀察圖像亮度和噪點的大小，然後選擇一款適合最佳通光係數的鏡頭。
3)、選擇鏡頭通光係數和F數需要注意的是：並不是通光係數越大越好。大口徑的鏡頭往往解析度會降低，對比度會下降，同時景深也會變小。光學工廠為了得到較好的解析度與對比度，需要投入更高成本來研發和生產，價格往往很貴，追求“合適”的通光係數比“大”通光係數更具經濟性。
4)、根據“高效線上式鏡頭參數檢測儀”的實測結果可以總結出目前市場上通常選擇的鏡頭通光係數和F數範圍如下，僅供參考：
● 普通標清CCD(420～540TVL)，板機介面(M12X0.5)定焦鏡頭(如f=3.6mm)選擇通光係數為50～80/F數為F3.0~F2.3;CS介面定焦鏡頭(如f=4mm)選擇通光係數為100～130/F數為F1.8~F2.0;
● 百萬高清CMOS(像素點2.2～3.75µm) IPC由於其圖元點面積比CCD單元(5.0～9.8µm)小很多,因此需要更高的通光係數來滿足其夜視要求。可參考CCD的通光係數做適當提升。
5)、在IR鏡頭的F數相同時，選擇紅外通光係數大的鏡頭，保證攝影機在晚上有更好的紅外效果。
6)、在成本允許的情況下，儘量選擇鍍多層寬頻膜的鏡頭：鏡頭鍍膜方式影響其透過率、透過率越高則通光係數越大，多層鍍膜比單層鍍膜好，多層寬頻鍍膜比窄帶多層鍍膜好。備註：鍍多層寬頻膜，光學工廠投入成本相對較高。
7)、選擇多層鍍膜另外好處是能夠消除或者減少鏡頭鬼影、眩光和光暈等現象，並且在色彩還原、逼真度、夜視等方面會表現更優秀，讓您的攝影機在市場更具競爭力，如下圖所示：
光暈通過多層鍍膜改善對比
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眩光現象
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鬼影現象
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6、總結
通過“高效線上式鏡頭參數檢測儀”實測通光係數的結果來選擇鏡頭，其性能指標是依據科學測量和類比的結果，比原來依靠肉眼判斷更可靠和準確、更快捷易用，因此希望業界的客戶能重視鏡頭通光係數對攝影機影響。
針對特定的攝影機選擇一款合適的鏡頭，關聯到鏡頭其它參數和指標，是一個綜合、互相制約和平衡的結果，我們的建議就是“合適就是好的理念”，並不是所有指標越高越好。
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