高清镜头技术及应用发展趋势分析

    随着高清概念发展的日趋明显，安防行业技术慢慢走向成熟。对监控领域而言，百万高清发展更是如火如荼。高清摄像机的出现给安防系统的图像质量带来了大幅度的提升，如720p、1080p的IP高清摄像机，3M、5M分辨率的工业高清摄像机等，与之配套的高清镜头在市场上也如雨后春笋般大量出现。

    高清镜头，也称百万像素镜头，与普通工业镜头相比具有清晰度高、光谱透射能力强、光谱矫正能力高等性能优势。而随着行业高清发展态势的日趋激烈，各类高清镜头及摄像机产品的应用也日益广泛，百万像素镜头成为行业应用的焦点之一。

    摄像机镜头是视频监视系统的最关键设备，它的质量(指标)优势直接影响摄像机的整机指标，摄像机镜头的选择是否恰当既关系到系统质量，又关系到工程造价。但面对形态各异的高清监控产品与千变万化的应用场景,百万高清监控镜头在各类场景的复杂光线环境下，都要为摄像机带来出色的成像效果，这就需要高清监控镜头具备一定的技术含量。

    非球面镜片技术是百万高清镜头一项非常重要的技术，也是镜头获得高清效果的重要保证。传统的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，极大影响成像质量。

    非球面镜片具有良好的透光性和低折射率，使用一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。并且，非球面镜头能使边缘部分的光线与中央部分的光线都能穿过镜片聚焦到同一个平面，从而能清晰有效地利用整个镜片的表面，使整个镜片都能正确聚焦，相对使有效通光口径变大。

    非球面镜头的有效通光口径增大，就能让更多的光线投射到CCD感光面上，也相应于增加了灵敏度。并且，因为一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、重量也减轻，又因光线经过的镜片少，因而使透光率大大增强，图像画面也变得细致明亮。

    非球面镜片的重要特点是可以改善镜片边缘部分对光的折射率，使镜头的边缘成像变好。而球面镜片，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，将非球面镜头用于高倍率的变焦镜头时，由于非球面镜头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。非球面的设计修正了影像不清，视界歪曲、视野狭小等不良现象，使成像更清晰、细腻，通常用于广角和超广角镜头中，适合广场、停车场等大范围监控场所。

    百万像素镜头技术中“透光率”的大小直接影响着镜头的清晰度高低，是高清画质不可或缺的重要条件。“透光率”是指镜头镜片的透光能力，主要决定因素是镀膜技术。所谓镜头镀膜是利用真空蒸汽沉积技术在镜头上布置的一层极薄透明的膜，防反射的膜层能产生增透效果，透光率越高，透光量就越大，照度要求也就越低，在逆光摄影时，由于膜层影响，能使易产生的幻像和光晕降低到最小程度，尤其是在夜间监控条件下，照度的高低是一个夜间镜头品质的决定因素。

    随着加工技术的进步和使用范围不断扩大，产生了高度技术化的多层镀膜技术，使用多层镀膜技术可实现防光线反射，促进光线增透，提升镜头的整体通光量，最终提高成像质量。可以这么说，没有多层镀膜技术飞跃发展，高倍、大孔径变焦镜头不可能有今天的发达局面。

    最近多组透镜构成的变焦镜头已成世界镜头发展的主流，采用多层镀膜，到达胶片面的光线，其衍生的杂散光部分大大减小，使镜头鉴别率不至于降低，也不损坏色彩还原，重新评价经改进的膜层，研制在各种镜头中引入最适宜的镀膜最新技术，是各厂家一直研究的重要课题。

    镜片镀膜看似是一道“后加工”步骤，其实在出厂前就已经完成。镀膜涂料依每个厂家的技术出现差异，所有监控镜头涂层都不能保证完全一致，因此，了解涂料直接影响着镜头的性能。透镜涂层的主要类型包括纳米涂层、集成涂层、复合涂层和透明涂层，还有一些高性能涂层BBAR和高保真涂层，目前监控镜头以BBAR跟纳米涂层方式较多，其余大多用于DSC或单反相机镜头较多。

    高清化已是视频监控系统发展的必然趋势，也是各大安防厂商逐鹿市场的必备武器。作为在成像过程中起到关键作用的镜头，应注意以下几大问题。

    一、镜头采用ED镜片是关键

    常用的安防监控市场，我们更多地采用的是定焦或者手动变焦的镜头，因为监控距离较近，一般采用的镜头焦距在50mm以内。这种场景对镜头的防色散性能几乎没有要求。但一旦采用了电动变焦镜头来对较远目标进行监控，色散问题就凸显出来(色散是可见光中的各种波长的光经过镜头折射后会出现焦点偏移，表现在图像上就是物体边缘有蓝色或者红色的色条)。原来在模拟监控系统，由于像元尺寸较大，色散的问题不是很突出，只有在配置300mm焦距以上的情况下才会表现出来。而进入高清时代，在常用的120mm焦距段的电动变焦镜头，已经比较明显的看到这个问题，这就在材质和镀膜精度上对镜头有了更高的要求。配合的摄像机清晰度越高，镜片材质对成像效果的影响越发明显。高清电动变焦镜头采用ED镜片，在长焦距远距离监控时，可以为摄像机提供更加清晰的画面效果。

    二、选择大口径设计镜头

    采用ED镜片的镜头并不能完全解决远距离监控问题。通常我们把720p以上清晰度输出的图像称为高清图像。而根据市场的自由选择，大多采用的是1080p的输出格式。在远距离监控领域，用户希望用高清监控系统来提高画面的像素，进而更加清晰地观看远距离目标，而现实结果却差强人意，其中因由也不难揣测。我们现在采用的高清摄像机大多采用的是CMOS芯片，照度性能只能达到0.5Lux。而长焦镜头在焦距变化的过程中，光通量也会随之变化，焦距越长，光通量越差。当焦距拉长到最大值时，光通量减到最弱。虽然是白天，但对于摄像机来说，相当于面前被遮挡，只留了很小的孔透过光。在这种情况下，普通高清摄像机就会因为照度不够出现画面质量衰减。解决这种问题可以从两方面入手：

    1、采用针对远距离监控设计的高清摄像机，例如高清SDI摄像机，这种摄像机除了最低照度做到0.3Lux的同时，还针对远距离监控领域加入了针对色彩还原和低照度图像增强技术，使得在光通量下降时也能得到清晰的画面。

    2、提高焦距拉长时镜头的光通量。镜头一旦生产出来，光通量的范围即确定下来，不可更改。因此我们必须在选择镜头时挑选那些长焦距时光通量性能较好的产品。根据镜头的光学关系：F(光通量的反比)=f(焦距)/D(镜头前有效口径)。F值是光通量反比，这个值越小，光通量性能越好。那么在f相同的情况下，选择有效口径越大的镜头，得到的画面效果越好。

    三、IR功能容易被忽视

    用户关注高清系统，不只是关注白天能否得到清晰的画面，夜晚的监控性能也是关注的要点。在高清系统里面，IR功能被普遍淡忘。但随着高清系统感光性能的提高，全天候监控系统中，IR功能逐渐得到用户的认可。尤其是电动变焦系统，IR功能至关重要。对于配合激光照明器等辅助光源的系统，IR功能是否具备，将直接影响到该系统的使用便捷性和可用性。

    相对于成熟的模拟监控系统，高清成像系统还有很多不为人重视的技术细节。但随着高清系统的逐渐普及，高清镜头的选择必将更加理性，同时随着需求的旺盛，将反过来推动产品的不断升级、发展。

    随着视频监控领域高清化趋势愈演愈烈，成为监控行业最热门话题，业界各大主流厂商都纷纷推出自己的高清产品，尤其是高清网络摄像机更是款型丰富，外围配套设备比较齐全，涌现出各种IP高清系统解决方案，极大地提高了视频数据承载和应用能力，使视频图像分辨率大幅提升，并具有高度的易扩展性和集中管理等优势，成为目前高清视频监控应用方案的主流。

    网络摄像机通常分为两种：一种是前端基于模拟摄像机置入视频与网络处理模块，因此与模拟摄像机有相同的弊端：图像解析度不高，最高画质不超过D1，另一种为数字高清网络摄像机，它的特点是直接将数字视频处理并经网络传输，避免了普通模拟摄像机易受干扰的问题，可以做到画面干净，画质清晰细腻，信噪比高。

    为了使百万像素摄像机能够得到最好的表现，使用高品质的百万像素的镜头将显得非常重要。光学图像的质量是整体图像质量的一个关键因素，作为百万像素网络摄像机的“眼球”，百万像素镜头可以为整个图像提供高对比度，锐度和明锐度，而非百万像素镜头就无法完全展现百万像素传感器的高分辨率，特别是在图片的边缘。

    据一些专家介绍，清晰度的两大重要指标包括分辨率和反差。分辨率是指镜头再现被摄景物细节的能力，分辨率越高，画面越清晰细腻;反差是指再现被摄景物低反差细节、明暗层次的能力，反差越高，画面景物轮廓鲜明，边缘锐利，层次丰富，质感强烈，影调明朗。分辨率高而反差低的镜头，影像轮廓不清晰，反差灰暗，影调平淡，给人感觉反而不清晰，这也是导致国产百万高清镜头市场冷淡的一大原因，所以反差和分辨率都达到一定高度时，才是真正理想的百万高清镜头。

    此外，百万像素高清摄像机镜头还具有以下发展趋势。

    一、大口径小型化

    为了提高镜头的通光量就要加大镜头的口径，其在环境昏暗和夜间模式下的画面亮度相比小口径镜头有更优质的表现。小型化是指镜头结构紧凑，可以适用不同产品安装和减小产品的体积。相比国外的百万像素监控镜头，其非球面技术的应用成熟，往往同一款镜头，其焦距足、口径大、结构小，清晰度高。国内各大镜头厂家大多在慢慢探索，争取早日成熟地应用于百万像素监控镜头新产品的开发上，与国外厂家一争高下。

    二、日夜不离焦

    在智能交通行业,成像器靶面越来越大,采用1"CMOS的产品越来越多,这类产品相对于2/3"CMOS,具有更好的低照度效果。目前较多的产品都不具备夜视齐焦的功能，需要依靠闪光灯补光，而很多国家不允许使用闪光灯，国内也开始探讨不用闪光灯的解决方案。

    同时，在保证日间像质的前提下，用户对夜间像质的要求也越来越高。在保证日间像质的前提下，可以利用红外滤片功能，ED(低折射率高色散系数)玻璃较好地校正色差，提高日夜成像的共焦能力和像质。近年来，各大玻璃厂商也在竭力推广ED玻璃。

    三、噪声光消除

    噪声光主要包括杂散光和鬼像。杂散光是指机械部件的反光造成的彩虹状杂光等，杂散光可以通过镜头内壁和隔圈的消光处理完美消除。鬼像是指光线在镜头内部镜片之间多次反射在画面的二次成像，鬼像与强光物体轮廓类似，无法完全消除，只能通过镀多层增透膜来尽量减轻。一款综合表现优越的高清百万监控镜头，其在噪声光的消除上应该要有优良的表现才能在强光环境下表现优质，匹配其百万高清监控镜头的美称。

    如今，高清化趋势已成为监控行业的发展共识。高清发展的同时,作为核心部件之一的百万高清镜头也表现出高速的市场增长，随着技术和市场的发展，对镜头也将提出更高的要求。市场竞争逼使企业创新意识增强，国内镜头制造商要极度重视技术革新和产品创新，才能使产品的品质和稳定性有突破性提高。