高清监控镜头的实现源于光学技术的进步

文/顾成刚

高清监控镜头的实现源于光学技术的进步

文/顾成刚

高清监控镜头的界定

目前在安防监控高清镜头内，比较流行的说法为“百万像素高清监控镜头”。那么，具体的，什么是百万像素镜头？百万像素镜头与高清镜头之间能否直接以“=”相连呢？

首先来看行业对百万像素的认识。单从镜头来看，各个镜头品牌对百万像素镜头的定义也是不同的，以300万像素镜头为例，部分中高端品牌定义：从画面的中心到画面的四周，有70%的画面面积能达到300万像素，其他部分能达到100万像素，这样的镜头就叫300万像素的镜头；也有的厂商定义为：65%的场高范围能达到300万像素，其他部分能到100万像素就叫300万像素的镜头；而大量的低端品牌认为只要中心区域能到达300万像素，就称为300万像素的镜头，而对边缘的清晰度无任何界定。因此，总体来看，百万像素镜头目前还没有一个统一认识。

此外，目前市面上的百万像素监控镜头包含了100万像素、130万像素、200万像素、300万像素、500万像素、800万像素乃至1000万像素的产品。那么，超过百万像素的监控镜头设备是否均可以笼统地划为“高清”范畴呢？

“高清”的标准一直是行业内争论的话题。作为一个完整的监控系统，高清是无法通过某一环节的技术突破来实现的，它应该是一个完整的技术概念，包括前端的拍摄，中间的传输与存储以及后续的制作、显示与发行的完整流程。而最直观的高清效果则通过最终的显示体现出来。目前比较成熟的是针对“高清显示”系统的定义。根据美国先进电视系统委员会（简称ATSC）对高清显示设备定义为以下三种：720P（1280×720逐行扫描）简称“标清”，1080I（1920×1080 隔行扫描），1080P（1920×1080 逐行扫描）简称“高清”。从分辨率上来看，720P的物理像素约为100万像素，1080P对应的是约200万像素。因此，按照这一标准，通常我们所说的100万或130万像素对应的监控镜头严格来讲仅仅属于标清镜头范畴，而只有高于200万像素的监控镜头才真正迈入“高清镜头”门槛。

光学技术的发展与材料、工艺的创新

同其它行业一样，高清监控镜头技术的实现源于光学技术的进步，源于对高清监控镜头产品设计、生产工艺、生产方式、生产设备的更新以及新型材料的采用。

光学设计。镜头的设计效果决定了镜头的分辨率的高低和使用效果，所以在百万像素镜头开发前，进行周密的光学设计非常重要，为满足产品的高分辨率，在光学设计时会考虑选择加工难度较低、易于保证加工精度的玻璃材质，以尽可能地降低镜片加工误差对成像质量的影响。在光圈设计上，要选择更接近于圆形的光圈，因为光圈越接近于圆，成像效果越佳。在模拟镜头中，一般都是2片光圈组成的四边形，而高清镜头常常可以见到六边形的光圈，在工业级镜头上一般都是8片叶片组成的8边形或更好的10边形。

镀膜工艺。在低端监控镜头的应用过程中经常会遇到两种现象：镜头实际的通光量远远小于镜头所标注的技术参数，并且很容易产生“鬼影”“眩光”等不良光学现象，严重影响了监控效果。这主要是由于镜片的镀膜工艺较差引起的。镜片的镀膜工艺和镀膜层数决定着镜头的透光率，而透光率是镜头最重要的光学指标之一。高超的镀膜工艺可以增加光线透过率，降低反射，减少光线损失，有效降低不良光学现象。通常，在中高端品牌百万像素监控镜头中，一般都采用全光谱复合多层镀膜技术；低端镜头往往只有蓝色膜，稍好些的镜头加了红膜、黄膜等，而只有各色齐全尤其镀了绿膜的才是全光谱镀膜镜头。我们可以通过以下方式判断一个镜头的镀膜水平：将镜头的前端对着自己的脸，在相同光照条件下，若能看清自己的脸部，则说明镜头反射能力较强，镜头镀膜水平较差；反之，若不能看清脸部，则说明光线的通透性很好，只有很少的反光，镀膜的效果比较好。

非球面技术。非球面技术是影响镜头清晰度另一个因素，尤其是影响边缘部分清晰度的重要因素。非球面镜片的使用可以有效降低球面相差对监控效果的不利影响，有效提升镜头边缘部分的解像力。然而，非球面镜片的生产对技术能力要求极高，世界范围内只有很少数的光学生产厂商具备这一技术及生产能力。因此，在实际应用中，迫于较高的生产成本和技术所限，非球面镜片并非所有厂家都用,尤其低端价廉的镜头中的不使用并，这可以通过其边缘部分的成像效果看出来。而高清镜头要达到使用要求不可离开非球面的设计。这是未来众多低端厂家和大品牌的技术分水岭。

其它技术。浮点式光学结构设计和采用ED（低折射率高色散系数）镜片校正色差等都在高清镜头上得到大量使用，同时由于摄像机成像介质的变化也对镜头的设计带来影响，众所周知模拟时代，很少使用CMOS作为成像介质，但由于CMOS技术的成熟，在百万和高清摄像机中得到大量使用，而CMOS的OLPF(低通滤光片)和保护玻璃的厚度和CCD截然不同，镜头的设计却沿用了对应于CCD的OLPF和保护玻璃的设计，对应于CCD的设计在CMOS摄像机上使用效果会有明显的差异，因此常常会出现一款知名度很高的品牌的高清镜头用在CMOS的摄像机上没有很好的光学表现的情况，如凤凰的新品百万镜头PVT29D14IR-M和PVT26D14IR-M既采用了对应于CMOS的OLPF和保护玻璃的设计，使其在CMOS摄像机上有更好的表现。

结构部件精度。回忆早期镜头普遍使用的是单个加工的金属部件，原因是量不大，或无法支付昂贵的模具费用，但每个零件单独加工，往往在个体之间存在误差，因此镜头品质的一致性较差，在模拟时代，这些问题并不严重影响使用效果，但进入高清时代，细微的问题都得到明显的放大，因此，成规模的大厂一般都采用大投资大制作，使用模具压出的工程塑料部件，作为镜筒镜身，保持了镜头良好的一致性，所以现在百万或高清镜头（除机器视觉使用的工业镜头以外），基本都是工程塑料制作的部件。但在要求高清晰度低误差的场合使用的高像素工业级镜头又通常使用金属部件，但这里用的金属部件和低端镜头的金属部件已经完全不是相同概念，高像素工业镜头的金属加工往往精度非常高，误差极小，材质也很好，所以才能满足高像素、高精度的要求，因此在工业镜头上往往见到采用金属部件。这就像辩证唯物法的螺旋式上升波浪式前进的道理。

生产控制与新材料的应用。在生产环节，无尘车间装配是最基本要求，正规工厂生产的镜头通常在1000级或更高要求的环境下进行生产，而众多家庭作坊无法大量投资建立无尘车间，生产环境也限制了众多作坊式小厂进入高清领域。装配技术及过程控制是确保镜头质量性能稳定的重要因素，例如为保证更好的产品一致性，凤凰光学发明了专利技术——装配的结构调芯技术，以保证同型号的镜头的更好的一致性；此外，高清镜头的光学性能的稳定性也对部件材质提出了更高的要求。以润滑油为例，凤凰的高清镜头采用的是温度范围在零下40度～80度的润滑油，以保证低温不凝固，高温不漏油，同时有良好的手感。

生产设备。生产设备作为硬件对最终产品的影响是巨大的，家庭作坊的设备无法做出技术性能及质量稳定的好镜头。所有生产高清镜头从制作磨制镜片的“皿”到磨制设备、芯取设备、镀膜设备、非球面镜片生产设备、模具生产设备都决定了产品的最终品质，只有所有这些设备都装备精良才会有生产出好的产品，所以镜头高清化一定会带来CCTV镜头市场的大洗牌，最后在高清镜头市场生存下来的都是拥有实力的知名品牌的大厂。

技术成长方向。全画面解像力的大幅度提升：除了中心部分的解像力，画面边缘部分的清晰度来源于非球面镜片的良好应用；未来的设计将使畸变更小；光圈指标逐渐提升：保证镜头解像力的同时逐渐增加镜头通光量；照顾到景深，考虑使用便利的设计，良好的手感、外观标示刻度更完善；成像靶面更宽泛；红外、透雾等功能的配备：逐步实现不同环境下的全天候监控需求。

小结

综上所述，从技术上来看，国内监控镜头领域已经由模拟、标清向高清阶段过渡，镜头的重要性将得到提升。当然，监控系统不仅仅是前端的镜头与摄像机，还包含了后端的NVR、显示屏以及监控平台等。整个系统能力的发挥遵循着木桶原理：单个环节技术的进步并不能保证整个系统性能的等比提升。因此，高清对监控系统的其他环节同样提出了更高的要求：高清的摄像机、更大的存储、更快的传输系统以及分辨率更高的显示系统。而目由于某些环节的技术水准未达到，更好的监控、显示及存储性能意味着更高额的成本，高清普及的时代还未到来。未来在一个阶段内，仍将呈现模拟、标清与高清并存的状态，但随着电子产品的价格下降趋势，光学产品的性能提升，镜头的成本在整个系统中的占比会越来越高，无论是甲方还是工程商对镜头会越来越重视。

作者单位：凤凰光学（上海）有限公司