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CCTV光学镜头设计的若干问题 )5 x,-m@
许正光 赵一菲 梁来顺 r#c+{yY
(公安部第一研究所 光电技术事业部，北京，100044) mpzm6I eu
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摘 要：本文综述了CCTV光学镜头设计和生产制造当中涉及到一些值得关注的问题。这些问题包括设计指导思想、先进光学生产技术、CCTV镜头安全环保性能和RoSH指令、符合使用效果的几点设计经验等。本文对以上问题进行有益的总结和探讨，对设计人员有一定参考价值。 Vah.tOU
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关键词：CCTV光学镜头 先进光学生产技术 非球面技术 RoSH指令 mS p;(oQ
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20世纪70年代以来，以先进加工技术、先进材料技术和自动优化设计软件为代表的先进光学生产技术得到了长足发展，安防产业中广泛使用的CCTV镜头充分分享到了这门先进的技术带来的好处，传统的设计和生产制造也由此发生了重大的变化。然而，和生产、制造、使用紧密相关的镜头设计过程并没有完全脱离实践当中积累的经验，许多经验总结今天看来仍旧可以作为最基本的设计原则，而这些对刚刚入门或正陷入困惑的业内设计人员有一定的指导意义。此外，日益受到各国重视的CCTV镜头安全环保性能和欧洲正在推行的RoSH指令，使得安防镜头的材料和制造工艺也将面临严峻考验。本文总结了一些笔者在CCTV光学镜头研制过程中的心得体会，供大家参考。 {WuUzq`
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1 设计和使用必须紧密结合[1] N
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评价CCTV光学镜头的好坏，直接涉及到使用、设计和制造三个方面，它们之间的关系极为密切。为了获得一个较理想的光学镜头，光学设计人员首先清晰明确地了解使用要求、使用效果和设计结果转入加工制造时的可能性。在使用和设计要求方面，设计人员对CCTV镜头所要求的焦距、孔径、视场、最近成像距离等光学特性参数和分辨率、畸变、光学传递函数等成像质量特性参数都比较熟悉。而当涉及使用效果方面的专业术语时，如有关像质方面的亮度范围、调子、反差、质感等等概念，或者“放大倍率、观察距离”等使用效果中的综合感觉，光学设计人员就显得有些不甚熟悉或者概念模糊。由此可见，CCTV镜头的设计人员必须深入实践，克服与使用者的沟通障碍，能够站在他们的角度考虑设计思路。这一个过程，实际上也是将使用者的“设计要求”正确变成“设计指标”进而变成“设计结果”的过程。 wTn"
当设计人员完整地清楚了使用者的设计要求后，才能确定可行的设计方法，并按照像差设计规律确定各种像差的平衡方案，进而进行优化设计，最终达到符合使用要求的设计结果。然而，如何评价优化设计的结果达到了设计要求呢？实际上这里提出了“设计结果”如何体现“设计要求”的问题。光学设计阶段的成像质量评价原则，是基于长期光学设计和加工实践反复摸索、总结规律而产生的理论。但是，根据这些评价原则对镜头进行评价，并不代替未来产品的实际成像质量，最终的成像质量评价有待于产品生产制造出来后对产品通过各种仪器进行测试和实际使用效果进行检验。同时实际也验证设计阶段成像质量评价的理论是否正确和发展这些理论。 @|}=W Q
由此可见，镜头的设计和使用必须紧密结合。一般而言，根据使用要求所进行的设计，总是预示着加工成产品之后的使用效果，两者之间是有机联系着的，有相对的一致性，存在着“变成”和“体现”的关系。 - P'c0I9z
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2 设计评价是一个多方面综合权衡的过程 A"B[F#
在实际使用过程中对一个光学系统的评价是非常广泛的，不但要求有理想的光学质量，而且还对它的体积重量外形形式适应性牢固度工艺性能材料选用造价成本等等都有一定要求。最好的成像质量如果在工艺上、材料的物理化学性能上无法实现和保证，也无实际用处。至于体积重量等要求，有时候甚至就直接影响着系统的实际使用价值，在进行设计时所有这些都要与像质一起加以考虑，过分追求某一指标或者忽略其他指标都是片面的。 IJ6&*t
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光学系统不同使用场合有着不同的评价内容，因此不同的光学系统其评价方法和标准也不一样。在实际设计当中“最好的”、“成像质量最优化的”未必就是实际工程实现“最合适”的系统。从工程设计的角度看，一个成功的设计系统往往并不是选用最高精尖的技术手段和材质完成系统设计，而是以能够完成设计要求、成本最低为指导原则的。 nn/_>%Y
总之，从光学设计实践的角度来说，解决使用要求变成设计要求，设计结果体现使用要求的成像质量评价问题，极为重要，否则设计必然存在某种盲目性。但是，这是一个影响因素颇多、国内外实践经验总结发表尚少的复杂问题，需要设计人员不断摸索实践，涉猎相关边缘学科，培养系统工程思维。 $,jynRk7q
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3 CCTV镜头的杂光、畸变和渐晕 W4=<hB
CCTV镜头的光学成像质量控制是光学设计的重要内容，本文着重从杂光、畸变和渐晕等方面浅谈使用当中的一些限制，这些限制告诉设计者这种类型的镜头设计并不需要接近理想镜头的程度。 vUg o)C #<
一般而言，杂光是由镜片的漫反射和镜筒引起的。光线通过一系列镜片后，其部分能量损耗于光学零件的界面反射，且随波利折射率的增加而增加，对高折射率玻璃尤甚，如重火石玻璃一个表面光反射损耗约6%左右。因此对于包含多片薄透镜的光学镜头，提高透过率的主要途径在于减少透镜表面的反射损耗，涂敷表面增透膜层[2]。在我所生产的超广角针孔镜头系列当中，镜片数有时达10片以上，如果不采取合适的镀膜工艺，那么镜头光学透过率下降和杂光问题将十分严重。透镜材料本身的不均匀性如气泡、结石、条纹以及镀增透明膜不良等也会引起这种反射（折反射和长焦距镜头尤其重要）。工艺上还应对镜筒、透光外缘、光栏片作涂黑处理。一般而言，镜头的杂光不超过5% ~ 8%为宜，设计人员运用Tracepro等光学软件能够在设计阶段对杂光进行较好的模拟仿真。 5x}Or fDU
在CCTV镜头设计中对图像畸变要求没有照相镜头严格，甚至有时适当增大畸变来校正如像散等像差。经验表明，一般畸变值在3%左右，人眼不易觉察出来。我所所内标准ZS 060-94规定，在40度视场内，畸变允许在2%左右，每增加10度视场允许畸变量增加1%左右[3]。 ^qPS&G
物镜像面边缘的照度与视场角的余弦的四次访成比例，因此广角CCTV镜头的画面边缘照度和中心照度之差别较大，通常有一定的渐晕现象。其次，光学设计中为了遮拦掉一部分像差不良的光束，也引入了渐晕。这种现象只需要摄像机对准一块中性灰板就能检查出来。经验表明，当边缘照度为中心的50% ~ 60%时，人眼还不易分辨，是允许的，低于这个数值在画面上就容易看出来。 mTZgvPJ!
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4 先进光学生产技术 yQ+C}8r5
随着光学材料技术、加工技术和多层精密镀膜技术的发展，非球面加工、高折射率材料、低色散材料、梯度折射率材料和塑料镜片技术逐渐应用到了现代光学镜头设计当中，这些技术就是目前常说的先进光学生产技术。近些年来，现今光学生产技术已经广泛应用到CCTV镜头当中，多种像差能够很好的控制，因此显著地提高了成像质量，而且视场更大，镜片结构更加简单，聚光能力更强，变焦倍率更高。目前在中国监控市场上常见的主流镜头是COMPUTAR、AVENIR（精工）、、TAMRON（腾龙）、FUJINON（富士）、YOBOO（优伯）等，这些知名品牌都是先进光学生产技术早先引入的领导者。 ~'/_q4
然而，对国内的生产厂商而言，塑料镜片注塑实现非球面技术虽然基本上已经成熟，但是目前仅适合大批量生产才能有效的降低成本。而特殊玻璃材料必然增加产品的成本。因此，要很好地利用当前蓬勃发展先进光学生产技术，还有待很好的权衡生产效率、镜头品质和规模经济之间的关系[4]。 !Baq4V? KN
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5 镜头光学材料选择和RoSH指令 !,N),xG}~
目前我国制造镜头所使用的火石类玻璃和重冕玻璃如果严格按照RoSH规定的铅成分、放射性等限制，CCTV光学镜头产品都将属于不合格产品。设计高级镜头中为降低色散常用镧玻璃，镧的同位素138La具有放射性。其次，光学镜片的抛光工艺普遍使用抛光粉氧化铈，铈的同位素 是放射性的α放射体。此外，镜头光机结构常用的铝材、螺钉等表面处理材料都不符合RoSH指令要求。 `L
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当然幸运的是，由于这些材料和工艺严格按照RoSH指令进行更换在短期内技术上很难实现，因此RoSH指令当前并没有对光学镜头和光学仪器进行限定和规定。但是，日本和欧洲企业的许多光学材料企业已经投入了大量资金进行新型替代光学材料方面的研究和工艺改进，已经取得了较大的进展。我们完全可以预想，将来对CCTV光学镜头提出类似的安全环保性能限制是行业产品发展必然趋势，镜头设计人员选择光学材料时就增加了更多限制。 M-NY& @Nj
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6 符合使用效果的几点设计经验 {1]Of'x'
我们还要考虑到光学镜头在实际拍摄使用过程中的一些情况。了解使用情况以及特点以后才能更合理确定设计最佳方案。 q/t~`pH3
(1) 摄像距离从10~20倍焦距开始直到无限远都要使用到，因此对无限远物体进行像差的校正必须预先估计到物体移动到近距离时像差变化情况。一般常用的工作距离为50倍焦距左右，因此首先要保证这一段距离有良好的像差质量是必要的。对于变焦距镜头，由于它不是整体镜头聚焦，而是利用某些组元移动来进行调焦，因此它不但会使像差有较大的变化，而且有时候还会引起渐晕的加剧，甚至到缺角不能使用的地步，这是必须加以注意的。 A[X~:p.^G
(2) 一般安防用摄像机的感光度比较低，在室内有灯光照明情况下，镜头的光圈用到F1.4~F3.5就基本满足要求，室外照明时一般多在F3.5~F11之间。由于室内空间限制，很少使用焦距在20毫米以上的镜头。由此，看来对于20毫米以内的镜头首先保证F1.4~F3.5左右的光圈有较好的成像质量是非常必要的，而对于焦距超过50毫米以上的镜头由于它常用于室外日光照明摄像，因此首先保证她在F8光圈内有较好的像质。而对于主要用于夜间远距离监控的镜头，F数甚至达到F1.0，尽量在大相对口径状态下有良好像质是必要的。而日夜兼用型的镜头，就要求在更宽的光圈范围内保证像质。 VTxLBFK;
(3) 为了适应人们的观察习惯，在通常情况下主题内容多是布置在画面较中央的部位，为此强调50%视场以内的画面有特别良好的像质就非常必要，在0.70视场有较好像质即可。为了保证画面的完整性，应当适当照顾画面边缘有相应的成像质量。 RLX?3u&
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参考资料 LxxFosi8
1. 电影镜头设计小组编.电影摄影物镜光学设计.中国工业出版社.1971年，1~10 X&({`Uw<K
2. 千福熹等著.光学玻璃.科技出版社.1982年，300~328 !_=3 Dz
3. SZ 060-94 电视光学镜头通用技术要求.中华人民共和国公安部第一研究所标准.1993年4月1日实施 >-YWq
4. 辛企明著.光学塑料非球面制造技术.国防工业出版社.2005年，17~42
