如何检测光学镜头红外离焦性能指标

2013-12-30 19:03:11来源: CPS中安网

    1、概述

  随着经济的发展和人们安全防范意识的提高,30年来安防业得到迅猛的发展,加之“平安城市”口号的提出和实施,给安防行业强有力的推动。图像传感器和光学技术不断进步,日夜监控摄像机从以前白天看得清、晚上看得见,逐渐提升到百万像素摄像机的白天看得细、晚上看得清的要求,作为摄像机核心部件的光学镜头在日夜两用方面提出更高的要求,主要困扰之一就是光学镜头晚上红外离焦(也称偏焦、失焦)问题,目前市场上提供的镜头都号称带有IR矫正功能满足日夜两用的要求,但在摄像机工厂或者客户使用过程中并非如此,往往存在到晚上就变模糊或者清晰度下降现象和虚标镜头参数的行为,如何检测和甄别光学镜头红外偏焦的参数指标是摆在行业内共同课题。

  2、镜头产生红外离焦的原因

  目前安防重点和难点是晚间监控,行业普遍采用晚上850nm红外灯作为辅助光源,要求光学镜头在白天可见光和850nm红外光都能看得清楚。但由于玻璃存在色散现象(玻璃对不同波长的光具有不同折射率特性所致)导致镜头很难保证从可见光(400~700nm)到红外光850nm时焦平面是一致的,晚上切换到红外灯时会产生焦平面偏移,晚上会产生图像模糊的现象,俗称跑焦或者偏焦。
                            

  玻璃的色散特性                                                            可见光和红外光焦平面偏移  

  3、镜头IR矫正

  随着百万高清IP摄像机越来越普及,现在安防行业监视主要任务要解决晚上监控从看得见上升到看得清问题,要求一种从可见光谱到近红外光都能适应的宽光谱摄像镜头。它与普通镜头的差别是用近红外LED主动式照明,根据市场日夜两用镜头技术性能来分,主要有国内和国外两种方式:

  国内镜头制造商:主要采用了《高清晰宽光谱共焦面视频摄像镜头》专利技术,把光谱范围分为可见光谱区和近红外光谱区,提出了宽光谱共焦面来评价镜头的成像质量观点来设计IR矫正镜头。

  国外镜头制造商:主要采用非球面、低色散系数玻璃、偏离阿贝系数直线的玻璃对组合的选取、减少可见光与近红外光像面偏移。


  设想的镜头IR矫正

  4、目前检测和甄别镜头红外离焦方法

  目前绝大多数的摄像机工厂或者光学厂家检测镜头红外离焦往往都是采用白天和暗房对比法,依靠肉眼人工目视方法来判断,即生产或者品检人员将摄像机镜头对着景物或者样板调好镜头焦面,然后到暗房看红外对焦的效果是否满足清晰的要求。全靠人工去判断,个人主观因素影响很大,没有专业的检测设备能定量检测镜头红外离焦的性能高低、好坏,难于保证摄像整机产品的一致性和稳定性。

  5、检测红外离焦性能仪器

  福州锐景达光电科技有限公司根据市场需求,结合光学、精密机械、电子、软件等专利技术,国内首创开发了涵盖镜头红外离焦量测量等多项参数的“高效在线式镜头参数检测仪”,是一种自动计算、记录和显示一体化的智能检测仪器。可直接测量镜头红外离焦的各项性能指标,为定量分析镜头IR矫正性能提供了依据和参考,也为行业客户提供了一种检测和甄别镜头红外离焦性能的工具和手段。下图是实际测量结果截图。




  镜头参数检测仪红外离焦实测结果截图

  实测结果记录下面四个参数值(焦距f=6mm):

  第一:白天(白光)时最佳清晰度为151线对/mm;

  第二:切换到红外(850nm)时由白天151线对/mm下降到36线对/mm

  第三:晚上红外时最佳清晰度为126线对/mm

  第四:镜头红外离焦量为0.050mm(俗称为5丝)

  结果分析得知:

  1)、如果摄像机在白天调整到最佳清晰度,等晚上切换到红外时,清晰度时由白天151线对/mm下降到36线对/mm、下降了74%,(假设用1/2.7” SENSOR的话,即由白天近200万像素的清晰度下降到晚上连30万像素都不到),白天和晚上清晰度下降很多,肉眼明显感觉到图像模糊。

  2)、镜头红外离焦量为0.050mm,说明白天和晚上焦平面有0.050mm偏移,偏移量较大,说明IR矫正设计并不理想,即摄像机工厂在实际聚焦的过程中,很难找到一个折中的焦平面位置。

  3)、红外时最佳清晰度为126线对/mm,比较接近白天的151线对/mm,这个参数有待进一步提升。

  6、镜头IR矫正性能优劣的探讨

  锐景达公司利用“高效在线式镜头参数检测仪”对国内外各个厂家生产的固定或者变焦IR镜头(焦距f=2.8mm到f=16m)进行了测量。结果发现虽然各厂家都宣称其镜头都具有IR矫正功能,但就四项指标的测量结果来看,各个生产商的镜头有较大差异,结合其客户反馈信息来看,测量性能指标低的,客户普遍反馈差,性能指标高的,客户普遍反馈良好。可见通过此检测仪测量的指标数值如实反应了镜头的性能和客户使用的结果。总结如下(下面数值仅供行业内参考):

  1)、镜头红外离焦量值越小越好。如果应用在模拟标清(35~70万像素)的摄像机时,离焦量不大于0.040mm(俗称4丝);如用于百万高清的IP摄像机(100~300万像素)的话,离焦量不大于0.020mm(俗称2丝),离焦量越大、摄像机生产或者使用很难找到一个兼顾白天、晚上清晰度都能接受的焦平面。

  2)、镜头从白天切换到红外时的清晰度下降不能太大。如果用在模拟标清(35~70万像素)的摄像机时,建议其下降度不能超过50%;如果用在百万IP(130~300万像素)摄像机时,建议其下降度不能超过30%;否则在晚上红外模式时会明显感觉到模糊。

  3)、镜头红外离焦补偿方法。根据测量得到的红外离焦量数值来计算IR-CUT补偿片厚度差(即白天补偿片厚度减晚上补偿片厚度。因白天比晚上用的厚些)。厚度差约=3*红外离焦量(mm),此时所用补偿片材料为K9玻璃(折射率为1.517)。原理是使白天的焦平面往后移,接近晚上红外时的焦平面位置,这样就达到白天/晚上共焦面的目的。但使用这种方式来补偿红外偏移量较大(比如大于0.040mm)的镜头时,在晚上既有灯光又有红外灯的情况下,就会发现灯光覆盖的部分比较模糊、红外灯覆盖的部分比较清晰的缺陷,总体感觉整个画面不够清晰。建议一般用于晚上纯红外照明的室内环境使用为佳。如果红外离焦量小,不建议使用补偿片。

  4)、当前百万高清的IP摄像机不但对镜头清晰度要求越来越高(从普通63线对/mm到200线对/mm),而且对日夜两用镜头的红外离焦量要求越来越小。镜头制造商将来的目标就是消除红外离焦。

  5)、选择一款好的日夜两用镜头,除了红外离焦性能指标外,还要兼顾其它的指标:清晰度、通光量(F数)、焦距等,是一个多参数综合选择的结果。

  参考文献

  1、 赖爱光等发明专利:《高清晰宽光谱共焦面视频摄像镜头》(专利号201010182785.0)

  2、 王之江主编《实用光学技术手册》

  3、 锐景达“高效在线式镜头参数检测仪”使用手册  

    【作者:黄思尚,单位:福州锐景达光电】

关键字:光学镜头  镜头  红外  性能

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2013/1230/article_6618.html
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