非球面镜头与球面镜头

一、引言

目前，监控市场上对24h连续监控的需求越来越多，由此产生了越来越多的日夜型摄像机。这种摄像机如果采用普通镜头，其白天的图像调节清晰，晚上的图像就变得模糊；反之，晚上图像调节清晰，白天就模糊。其原因是由于普通摄像镜头不可能使可见光和红外光这两种不同波长范围的光线在同一个焦面上成像，因为不同波长的光线通过作为光学介质的镜头之后，聚焦的位置不同。而普通摄像镜头，是只限定在可见光波长范围的性能要求而设计的，因此作为日夜使用就会出现上述现象。

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红外镜头放在日夜摄像机上能对应可见光与红外光的转换，从而始终保持所监控图像画面的清晰。其原因是，因为红外镜头是根据可见光和红外光这两种波长范围而设计制作的，所以它能使可见光和红外光在统一的焦面上成像。

红外镜头即IR镜头，它采用了特殊的光学玻璃材料，并用最新的光学设计方法，从而消除了可见光和红外光的焦面偏移，因此从可见光到红外光区的光线都可以在同一个焦面位置成像，使图像都能清晰。此外，红外镜头还采用了特殊的多层镀膜技术，以增加对红外光线的透过率，所以用IR镜头的摄像机比用普通镜头的摄像机夜晚监控的距离远。

现在，红外镜头在市场上有定焦与变焦镜头系列，还有1/3与1/2in等系列。其应用范围广泛，除专门作红外对应的特殊用途外，也可用作普通镜头，并能有效地提高成像质量。

除了有专门设计的红外镜头外，实际上24h连续监控的电视监控系统，大多使用的是一种非球面镜头。下面就介绍一下这种镜头的原理、特点、与球面镜头的比较选择及其在电视监控中的应用。

二、非球面镜头的原理

常用的普通摄像镜头为球面镜头，它采用的是球面镜片，而不是平面。一般球面镜片会出现像差，如球差、色差、彗差等，因而实际的摄像镜头通常需要多片凹凸程度不同的镜片，进行分组组合来予以校正。最简单的定焦镜头一般需要4片3组、6片4组或7片4组，而高档的变焦镜头则需要10多片10多组的镜片组合。显然，这不仅使镜头的体积和重量增加，而且使透过的光也减少了。对F值小的高感度镜头来说，其有效通光口径越大，球面像差就越大，当然其校正也就越困难。正是由于球面镜头的缺点，才研制了非球面镜头。

非球面镜头（Aspherical Lens）所用的镜片为非球面镜片，其面形也是在球面面形的基础上做细微的调整得出的。从数学的角度来说，球面的面形是一个二次函数，而非球面的面形函数是四次甚至更高次的函数，因此非球面的面形更加复杂。实际上，它是在球面的基础上，按事先设计好的细微面形起伏，进行人为控制而获得非球面的复杂曲面的。

由于非球面镜头的镜片形状，是在充分考虑到上述各校正因素，通过精确的设计计算，由精密仪器光学研磨而成。因此，一片非球面镜片就能实现多个球面镜片校正像差的效果。

这样，非球面镜头可以有效地减少镜片的数量，从而也就减小了镜头的体积和重量，并使透光性更好，色差还原准确、成像质量变佳。

三、非球面镜头的特点

1、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，从而带来了无法克服的光斑现象，如图1a所示。显然，它将影响成像质量。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集于一点。如图1b所示，从而校正了球面像差，大大地提高了成像的质量。

图1 非球面镜头球差补正示意图

2、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桶形失真

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，更容易出现球差和图像失真，尤其光线在球面镜头边缘过折射引起的桶形失真，如图2a所示。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，从而有效地消除了桶形失真，如图2b所示。

3、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。如日本腾龙（TAMRON）公司生产了1/3英寸的f=3.0~8mm F/1.0系列镜头。这种镜头之所以达到F/1.0，就是用了非球面镜片的原故。

4、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CCD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。如TAMRON的1/3英寸f=5~50mm F/1.4系列镜头，其中仅使用了两片非球面镜片。它不仅实现了体积小、重量轻，而且增强了透光率，保证了成像质量。

非球面镜头虽有上述优点，除镜头设计计算要精确外，其加工工艺要求也非常高。如低散射非球面镜片（如腾龙的LD镜片），其物理特性需要在抛光及镀膜过程中保证最精密的加工精度；所形成的非球面层的特殊的光学树脂（Optical resin）的光学特性，也需要在铸型过程中保证各种适当的管理，才能达到最佳的实用状态。

四、非球面镜头与球面镜头的比较与选择

非球面镜头与球面镜头的比较与选择主要是在低照度时进行。因为在白天光线下，球面镜头的表现与非球面镜头并没有明显的区别，两者都可提供较好的图像。但当照度下降时，非球面镜头就表现出明显的优势。如黄昏日落后，使用球面镜头的图像与色彩变得模糊不清，这时从摄像机上量得的信号峰值为0.8V~0.9V；当转用非球面镜头时，图像仍然好，从摄像机上量得的信号峰值为稳定的1V。当天色更昏暗时，用球面镜头的摄像机，其图像效果跟“不能用”差不多，从摄像机上量得的信号峰值为0.6V；而非球面镜头的摄像机，其图像效果仍符合要求，从摄像机上量得的信号峰值为0.8V~1V。虽然，用非球面镜头的摄像机在完全黑夜不加辅助光源也看不清图像，但电视监控系统需要24h工作，非球面镜头应是首选。

值得提出的是，球面与非球面镜头两者的差价在100元人民币左右，如果用一般摄像机配非球面镜头，高性能摄像机配球面镜头，就知道选用非球面镜头是物有所值了。

五、非球面镜头在电视监控中的应用

由上述可知，若将非球面镜头应用到电视监控系统中，将会使系统的性能得到提高。目前，已有一些镜头厂商的非球面镜头在市场上销售，如日本腾龙等公司已有用于电视监控中的一系列非球面镜头。TAMRON公司还专门为彩色摄像机设计了一种非球面镜头，它能使通过它的光线经过彩色摄像机的光学低通滤波器后，精确地成像在固体图像传感器的感光面上，如图3中实线所示。如TAMRON的f=3.0~8mm的手动变焦非球面镜头13VM308AS，就是这种专用镜头。但将该镜头用于黑白摄像机时，由于黑白摄像机中没有光学低通滤波器的折射，这样成像点会落在固体图像传感器感光面的稍前一点的位置上，如图3中虚线所示。

为此，TAMRON公司还专门为黑白摄像机配备了一套附件：可模拟光学低通滤波器组件的能旋入镜头后部的滤光镜，以及一个可置入镜头和摄像机间的薄金属垫圈。显然，用原来球面镜头要兼顾到黑白与彩色摄像机，不能使图像最佳，只有通过精确调整对焦来进行弥补。因此，非球面镜头用于电视监控系统中，将能使所监控的图像质量提高。

六、结束语

由上可知，由于这种非球面镜头的镜片的面形函数是四次甚至更高次的函数，它是在球面面形的基础上，按事先设计好的细微面形起伏，通过精确的设计计算，由软件控制精密仪器光学研磨而成。因此，一片非球面镜片就能实现多个球面镜片校正像差的效果。这样，非球面镜头可以有效地减少镜片的数量，从而使镜头透光性更好，也相对使有效通光口径变大，色差还原准确，其成像质量肯定比球面镜头好，并且也减小了镜头的体积和重量。所以，在需要24h连续工作的电视监控系统中，应当选用非球面镜头。此外，这种非球面镜头，应是摄像镜头制造的发展方向，它在低照度下所表现出的优越性能，必将在视频监控中获得广泛地应用。