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安防视频监控里的非球面镜头简介


常用的普通摄像镜头为球面镜头,它采用的是球面镜片,而不是平面。一般球面镜片会岀现像差,如球差、色差、彗差等,因而实际的摄像镜头通常需要多片凹凸程度不同的镜片,进行分组组合来予以校正。最简单的定焦镜头一般需要4片3组、6片4组或7片4组,而高档的变焦镜头则需要10多片10多组的镜片组合。显然,这不仅使镜头的体积和重量增加,第2章安防视频监控中的光源和光学系统而且使透过的光也减少了。对F值小的高感度镜头来说,其有效通光口径越大,球面像差就越大,当然其校正也就越困难。正是由于球面镜头的缺点,才研制了非球面镜头。

一、非球面镜头的含义

非球面镜头(Aspherical Lens)所用的镜片为非球面镜片,其面形也是在球面面形的基础上通过细微的调整得出的。从数学的角度来说,球面的面形是一个二次函数,而非球面的面形函数是四次甚至更高次的函数,因此非球面的面形更加复杂。实际上,它是在球面的基础上,按事先设计好的细微面形起伏,进行人为控制而获得非球面的复杂曲面的。

由于非球面镜头的镜片形状,是在充分考虑到上述各校正因素,通过精确的设计计算,由精密仪器光学研磨而成的,因此一片非球面镜片就能实现多个球面镜片校正像差的效果。这样,非球面镜头可以有效减少镜片的数量,从而减小镜头的体积和重量,并使透光性更好,色差还原准确、成像质量变佳。

二、非球面镜头的特点

(1)能消除球差,大大提高成像质量。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,如图1(a)所示。显然,它将影响成像质量。


图1 非球面镜头球差补正示意图

而用非球面镜片,使光线经过高次曲面的折射,就可以把光线精确地聚集于一点,如图1(b)所示,因此,用非球面镜片校正了球面像差,大大地提高了成像的质量。

(2)可以改善镜片边缘部分对光的折射率,从而使物体的成像更加细致。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过折射引起的桶形失真,如图2(a)所示。

图2 非球面镜头消除桶形失真的原理

而用非球面镜头,能消除光在球面镜头边缘过折射引起的桶形失真。如若将非球面镜头用于高倍率的变焦镜头时,由于非球面镜头设计时,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,如图2(b)所示。

(3)可使镜头光学结构简化,能获得更大的通光口径。由于使用1片非球面镜片可以代替一组球面镜片,从而使摄像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。例如,日本腾龙(TAMRON)公司生产了1/3英寸的f=3.0~8mm的F/1.0系列镜头,这种镜头之所以达到F/1.0,就是用了非球面镜片的原故。

(4)使镜头体积小、重量轻,并增强透光率。因为1片非球面镜片能顶替好几片一组的球面镜片,从而使摄像镜头的体积缩小、重量减轻,并且光线经过的镜片少,因而使透光率大大增强,图像画面也变得细致明亮。例如,TAMRON的1/3英寸f=5~50mm的F/1.4系列镜头,其中仅使用了两片非球面镜片,它不仅实现了体积小、重量轻,而且增强了透光率,保证了成像质量。

非球面镜头虽有上述优点,相比的缺点是:

(1)其加工工艺要求非常高,低散射非球面镜片(如腾龙的LD镜片),其物理特性需要在抛光及镀膜过程中保证最精密的加工精度;所形成的非球面层的特殊的光学树脂(Optical resin)的光学特性,也需要在铸型过程中保证各种适当的管理,才能达到最佳的实用状态。

(2)镜头设计计算要精确,因而较复杂一些。

三、非球面镜头在视频监控中的应用

由上述可知,若将非球面镜头应用到视频监控系统中,将会使系统的性能提高。TAMRON公司专门为彩色摄像机设计了一种非球面镜头,它能使通过它的光线经过彩色摄像机的光学

低通滤波器后,精确地成像在固体图像传感器的感光面上,如图3中实线所示。

图3 专门为彩色摄像机设计的镜头的成像点

例如,TAMRON的f=3.0~8mm的手动变焦非球面镜头13VM308AS,就是这种专用镜头。但将该镜头用于黑白摄像机时,由于黑白摄像机中没有光学低通滤波器的折射,这样成像点会落在固体图像传感器感光面稍前一点的位置上,如图3中虚线所示。

为此,TAMRON公司为黑白摄像机配备了两个附件:

•可模拟光学低通滤波器组件的能旋入镜头后部的滤光镜;

•一个可置入镜头和摄像机间的薄金属垫圈。

因此,非球面镜头用于视频监控系统中,将能使所监控的图像质量提高。

显然,用原来球面镜头要兼顾到黑白与彩色摄像机,它不可能使图像达到最佳,一般稍变得模糊些,这时只有通过精确调整对焦来进行弥补。