解析非球面镜头的高清监控原理

文/周履冰

目前，监控市场上百万像素的高清监控越来越普及，有一百万像素、二百万像素、五百万像素、八百万像素等等。由于总体像素的不断的提高，光学传感器的靶面尺寸也在逐渐增加。因此，相应镜头的靶面口径尺寸也逐渐增大1/4"、 1/3"、 1/2"、 2/3"、 1"等。镜头靶面口径的增大使得镜头镜片尺寸增大。另外一些小F数的快速镜头也因为需要大的通光口径。大镜片会带来大的球差等像差，虽然通过若干组镜片可以对像差进行纠正，但如果采用非球面镜则可以带来更优秀的性能。

通常镜头的镜片都是球面的，不管是凸面还是凹面、曲面都是球面，曲面上任何一点，其曲率都一样。球面容易加工，容易测量。但是球面并不是光线成像的理想曲面。球面只有光线在距光轴很近的小范围才具有理想光学的特性, 一般球面镜片都会出现球差、色差、彗差、场曲、象散等像差，因此一个实用的镜头需要有多片不同曲率不同折射率镜片来对像差进行纠正。即使一个经过像差纠正的镜头也不是所有像差都得到了纠正，只不过是几条光带的像差经过了纠正。一般镜头的边缘有最大的像差，而且口径越大的镜头越难纠正，因此，设计时会最先考虑镜头边缘的像差纠正。所以，一个经过像差纠正镜头的残余像差在半径0.7或0.8处还是会比较大的。残余的像差是制约高清镜头分辨率的重要因素。为了改善这种状况，工程师可以不断的增加镜片。因为每增加一个透镜就可以增加二个不同的曲面参数和一个不同玻璃折射率参数来参加镜头的像差改善。不过这样也会带来重量增加、透光率下降、组装复杂等不利因素。

非球面镜头的优点分析

非球面镜用一个高次曲线的旋转曲面来代替球面，高次曲线有多项参数，因此，一片非球面镜可以替代几片球面镜组合纠正的像差。从非球面镜的断面来看所呈现的高次曲线有二次，三次、四次甚至更高次的复杂曲线方程，目的是要使设计和计算的光线入射到非球面镜面时，光线能够聚焦到一点消除各种像差。目前，由于有了Code V、Oslo、Zemax 等大型光学设计软件，可以对曲面不断修改优化，可以对几百条上千条光线追踪仿真，因此非球面镜设计已经不是高不可攀的难题了。当然一些著名的镜头公司还都有自己专利的曲线方程式。非球面镜的优点主要是：

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，无法彻底克服光斑现象。显然，它成了高清摄像机镜头分辨率提高的障碍，影响成像质量。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焦于一点。从而校正了球面像差，大大提高了成像的质量。

可改善镜片边缘部分对光的折射率，消除光在球面镜头边缘过折射引起的畸变失真。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，从而使镜头的边缘成像变好。而球面镜片，尤其高倍率球面镜头，更容易出现球差和畸变，尤其光线在球面镜头边缘过折射引起的畸变失真。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，从而有效地消除了畸变。

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。并且，由于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。

使镜头体积小、重量轻，并增强透光率。由于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Sensor感光面上，也相应于增加了灵敏度。并且，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、重量也减轻，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。比如Canon 的一款NY210D二百万像素变焦镜头，焦距从4.7mm到94mm，变焦达到20倍，Fo=1.6，而重量仅118克；另一款几乎差不多大小的二百万像素变焦镜头NY218A焦距从4.4mm到132mm，变焦达到30倍，Fo=1.4。这二款镜头达到如此良的指标，都是采用了非球面镜。而且是双面非球面镜。这种双面非球面镜加工技术更有难度，因为非球面镜是高次曲线旋转而成的曲面，只有唯一的对称轴，因此，要二个非球面的对称轴完全重合才合格，而且一旦做错无法挽回，不像球面镜可以用磨边定心法修正。所以这二款是非常优秀的镜头。

非球面镜头的加工方法

由于计算机的高速发展非球面镜的设计已经不是困难的事了，像Code V、Zemax等光学设计软件都可以设计非球面镜并进行仿真和优化。非球面镜的瓶颈还是在于加工，目前非球面镜片的加工方法主要有三种：

第一种是研磨非球面镜。就是直接用光学玻璃毛坯研磨出所需要的形状的非球面镜，工艺难度很大，成本也十分高昂，最早的非球面镜几乎都是这样制作的。

第二种是模压非球面镜片。采用金属铸模技术将融化的光学玻璃/光学树脂直接压制而成，这种制造工艺成本相对较低，而且现在大部分模压非球面镜的材质都是光学树脂，玻璃的还较少。

第三种是复合非球面镜片。在研磨成球面的玻璃镜片表面上覆盖一层特殊的光学树脂，然后将光学树脂部分研磨成非球面。这种制造工艺的成本界于上述两种工艺之间，是中高档镜头所用的非球面镜的主要制作方法。

结束语

总而言之，非球面镜虽然较难加工，但现正逐渐在百万像素高清镜头中开始应用，随着像素的越来越高，对镜头的分辨率要求也就越来越高。用非球面镜来纠正像差将越来越多。而且将越来越多的的应用于百万像素的大变倍镜头、低照度大口径镜头、大靶面镜头。