1、概述
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們安全防范意識(shí)的提高,30年來(lái)安防業(yè)得到迅猛的發(fā)展,加之“平安城市”口號(hào)的提出和實(shí)施,給安防行業(yè)強(qiáng)有力的推動(dòng)。圖像傳感器和光學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步,日夜監(jiān)控?cái)z像機(jī)從以前白天看得清、晚上看得見(jiàn),逐漸提升到百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)的白天看得細(xì)、晚上看得清的要求,作為攝像機(jī)核心部件的光學(xué)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(xué)鏡頭晚上紅外離焦(也稱偏焦、失焦)問(wèn)題,目前市場(chǎng)上提供的鏡頭都號(hào)稱帶有IR矯正功能滿足日夜兩用的要求,但在攝像機(jī)工廠或者客戶使用過(guò)程中并非如此,往往存在到晚上就變模糊或者清晰度下降現(xiàn)象和虛標(biāo)鏡頭參數(shù)的行為,如何檢測(cè)和甄別光學(xué)鏡頭紅外偏焦的參數(shù)指標(biāo)是擺在行業(yè)內(nèi)共同課題。
2、鏡頭產(chǎn)生紅外離焦的原因
目前安防重點(diǎn)和難點(diǎn)是晚間監(jiān)控,行業(yè)普遍采用晚上850nm紅外燈作為輔助光源,要求光學(xué)鏡頭在白天可見(jiàn)光和850nm紅外光都能看得清楚。但由于玻璃存在色散現(xiàn)象(玻璃對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同折射率特性所致)導(dǎo)致鏡頭很難保證從可見(jiàn)光(400~700nm)到紅外光850nm時(shí)焦平面是一致的,晚上切換到紅外燈時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦平面偏移,晚上會(huì)產(chǎn)生圖像模糊的現(xiàn)象,俗稱跑焦或者偏焦。
玻璃的色散特性 可見(jiàn)光和紅外光焦平面偏移
3、鏡頭IR矯正
隨著百萬(wàn)高清IP攝像機(jī)越來(lái)越普及,現(xiàn)在安防行業(yè)監(jiān)視主要任務(wù)要解決晚上監(jiān)控從看得見(jiàn)上升到看得清問(wèn)題,要求一種從可見(jiàn)光譜到近紅外光都能適應(yīng)的寬光譜攝像鏡頭。它與普通鏡頭的差別是用近紅外LED主動(dòng)式照明,根據(jù)市場(chǎng)日夜兩用鏡頭技術(shù)性能來(lái)分,主要有國(guó)內(nèi)和國(guó)外兩種方式:
國(guó)內(nèi)鏡頭制造商:主要采用了《高清晰寬光譜共焦面視頻攝像鏡頭》專利技術(shù),把光譜范圍分為可見(jiàn)光譜區(qū)和近紅外光譜區(qū),提出了寬光譜共焦面來(lái)評(píng)價(jià)鏡頭的成像質(zhì)量觀點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)IR矯正鏡頭。
國(guó)外鏡頭制造商:主要采用非球面、低色散系數(shù)玻璃、偏離阿貝系數(shù)直線的玻璃對(duì)組合的選取、減少可見(jiàn)光與近紅外光像面偏移。
設(shè)想的鏡頭IR矯正
4、目前檢測(cè)和甄別鏡頭紅外離焦方法
目前絕大多數(shù)的攝像機(jī)工廠或者光學(xué)廠家檢測(cè)鏡頭紅外離焦往往都是采用白天和暗房對(duì)比法,依靠肉眼人工目視方法來(lái)判斷,即生產(chǎn)或者品檢人員將攝像機(jī)鏡頭對(duì)著景物或者樣板調(diào)好鏡頭焦面,然后到暗房看紅外對(duì)焦的效果是否滿足清晰的要求。全靠人工去判斷,個(gè)人主觀因素影響很大,沒(méi)有專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備能定量檢測(cè)鏡頭紅外離焦的性能高低、好壞,難于保證攝像整機(jī)產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性。
紅外攝像機(jī) 暗房
5、檢測(cè)紅外離焦性能儀器
福州銳景達(dá)光電科技有限公司根據(jù)市場(chǎng)需求,結(jié)合光學(xué)、精密機(jī)械、電子、軟件等專利技術(shù),國(guó)內(nèi)首創(chuàng)開(kāi)發(fā)了涵蓋鏡頭紅外離焦量測(cè)量等多項(xiàng)參數(shù)的“高效在線式鏡頭參數(shù)檢測(cè)儀”,是一種自動(dòng)計(jì)算、記錄和顯示一體化的智能檢測(cè)儀器??芍苯訙y(cè)量鏡頭紅外離焦的各項(xiàng)性能指標(biāo),為定量分析鏡頭IR矯正性能提供了依據(jù)和參考,也為行業(yè)客戶提供了一種檢測(cè)和甄別鏡頭紅外離焦性能的工具和手段。下圖是實(shí)際測(cè)量結(jié)果截圖。
鏡頭參數(shù)檢測(cè)儀紅外離焦實(shí)測(cè)結(jié)果截圖
實(shí)測(cè)結(jié)果記錄下面四個(gè)參數(shù)值(焦距f=6mm):
第一:白天(白光)時(shí)最佳清晰度為151線對(duì)/mm;
第二:切換到紅外(850nm)時(shí)由白天151線對(duì)/mm下降到36線對(duì)/mm
第三:晚上紅外時(shí)最佳清晰度為126線對(duì)/mm
第四:鏡頭紅外離焦量為0.050mm(俗稱為5絲)
結(jié)果分析得知:
1)、如果攝像機(jī)在白天調(diào)整到最佳清晰度,等晚上切換到紅外時(shí),清晰度時(shí)由白天151線對(duì)/mm下降到36線對(duì)/mm、下降了74%,(假設(shè)用1/2.7” SENSOR的話,即由白天近200萬(wàn)像素的清晰度下降到晚上連30萬(wàn)像素都不到),白天和晚上清晰度下降很多,肉眼明顯感覺(jué)到圖像模糊。
2)、鏡頭紅外離焦量為0.050mm,說(shuō)明白天和晚上焦平面有0.050mm偏移,偏移量較大,說(shuō)明IR矯正設(shè)計(jì)并不理想,即攝像機(jī)工廠在實(shí)際聚焦的過(guò)程中,很難找到一個(gè)折中的焦平面位置。
3)、紅外時(shí)最佳清晰度為126線對(duì)/mm,比較接近白天的151線對(duì)/mm,這個(gè)參數(shù)有待進(jìn)一步提升。
6、鏡頭IR矯正性能優(yōu)劣的探討
銳景達(dá)公司利用“高效在線式鏡頭參數(shù)檢測(cè)儀”對(duì)國(guó)內(nèi)外各個(gè)廠家生產(chǎn)的固定或者變焦IR鏡頭(焦距f=2.8mm到f=16m)進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然各廠家都宣稱其鏡頭都具有IR矯正功能,但就四項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量結(jié)果來(lái)看,各個(gè)生產(chǎn)商的鏡頭有較大差異,結(jié)合其客戶反饋信息來(lái)看,測(cè)量性能指標(biāo)低的,客戶普遍反饋差,性能指標(biāo)高的,客戶普遍反饋良好??梢?jiàn)通過(guò)此檢測(cè)儀測(cè)量的指標(biāo)數(shù)值如實(shí)反應(yīng)了鏡頭的性能和客戶使用的結(jié)果??偨Y(jié)如下(下面數(shù)值僅供行業(yè)內(nèi)參考):
1)、鏡頭紅外離焦量值越小越好。如果應(yīng)用在模擬標(biāo)清(35~70萬(wàn)像素)的攝像機(jī)時(shí),離焦量不大于0.040mm(俗稱4絲);如用于百萬(wàn)高清的IP攝像機(jī)(100~300萬(wàn)像素)的話,離焦量不大于0.020mm(俗稱2絲),離焦量越大、攝像機(jī)生產(chǎn)或者使用很難找到一個(gè)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(shí)的清晰度下降不能太大。如果用在模擬標(biāo)清(35~70萬(wàn)像素)的攝像機(jī)時(shí),建議其下降度不能超過(guò)50%;如果用在百萬(wàn)IP(130~300萬(wàn)像素)攝像機(jī)時(shí),建議其下降度不能超過(guò)30%;否則在晚上紅外模式時(shí)會(huì)明顯感覺(jué)到模糊。
3)、鏡頭紅外離焦補(bǔ)償方法。根據(jù)測(cè)量得到的紅外離焦量數(shù)值來(lái)計(jì)算IR-CUT補(bǔ)償片厚度差(即白天補(bǔ)償片厚度減晚上補(bǔ)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(shí)所用補(bǔ)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后移,接近晚上紅外時(shí)的焦平面位置,這樣就達(dá)到白天/晚上共焦面的目的。但使用這種方式來(lái)補(bǔ)償紅外偏移量較大(比如大于0.040mm)的鏡頭時(shí),在晚上既有燈光又有紅外燈的情況下,就會(huì)發(fā)現(xiàn)燈光覆蓋的部分比較模糊、紅外燈覆蓋的部分比較清晰的缺陷,總體感覺(jué)整個(gè)畫(huà)面不夠清晰。建議一般用于晚上純紅外照明的室內(nèi)環(huán)境使用為佳。如果紅外離焦量小,不建議使用補(bǔ)償片。
4)、當(dāng)前百萬(wàn)高清的IP攝像機(jī)不但對(duì)鏡頭清晰度要求越來(lái)越高(從普通63線對(duì)/mm到200線對(duì)/mm),而且對(duì)日夜兩用鏡頭的紅外離焦量要求越來(lái)越小。鏡頭制造商將來(lái)的目標(biāo)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(biāo)外,還要兼顧其它的指標(biāo):清晰度、通光量(F數(shù))、焦距等,是一個(gè)多參數(shù)綜合選擇的結(jié)果。