如何根据通光系数实测数据来选择镜头的通光性能

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　　1、 概述

　　如今越来越多的高清IPC在应用，镜头如IPC摄像机的“眼睛”了 。“眼睛”的好坏很大程度上决定了摄像机性能的高低，直接影响了IPC的质量，广大客户对镜头是不是百万、2百万或者5百万等清晰度指标更为关注，但对镜头通光量了解不足或者不重视。目前市场上往往都是通过摄像机在暗房依靠肉眼来观察判断白天时摄像机的亮度和红外时摄像机的亮度、噪点等指标的效果，少数专业生产商在暗箱中放入照度计来观察镜头通光量对摄像机照度的影响，大多数客户都是人眼观察判断为主，设计人员无法得到镜头通光量准确有效的数据来调试摄像机增益、曝光时间、电子快门等参数，随着人员更替，往往靠肉眼经验提供的数据也随之带走，无法保证企业产品长期稳定的一致性，因此人为观察判断存在差异大、一致性差等缺陷。

暗房                                                                 照度计

　　2、 通光系数定义

　　众所周知镜头的通光量与相对孔径有关，相对孔径大则通光量就大，在不考虑镜片透过率的情况下是正确的。考虑了镜片透过率后的镜头像面通光量如公式1所示。

　　随着百万镜头用的镜片越来越多(至少要求6片玻璃的组合)、其镀膜好坏等因素影响，镜头本身的透过率高低对通光量影响不容忽视。(如果一个镜头有6片12面，不镀增透膜时每面的透过率为95%，镀多层膜后透过率为99.5%，那么不镀膜时镜头的总透过率为54%，镀多层膜后镜头的总透过率为94%，是不镀膜时的1.7倍。)尤其在晚上IR夜视情况，通光量大小直接影响成像质量和监控目标范围大小。为了准确和真实反映镜头的通光量，这里引入“通光系数”概念，它是透过率与相对孔径平方的乘积(如公式2)，因此在特定的目标或者监控环境下(亮度L一致)，通光系数越高则通光量越大(如公式3)，测量通光系数的结果更准确反映了镜头通光量指标。

　　3、 测量通光系数

　　“高效在线式镜头参数检测仪”结合了光学、机械、电子和软件等四学科技术，利用先进的图像测量技术、嵌入式智能软件替代传统测量人工读数、计算方式;自动测量、自动显示、自动记录、使测量结果更准确，更快捷、更稳定。除了能测量镜头通光系数外，还得测量镜头焦距、后截距、红外离焦、F数、入瞳直径和清晰度等10多项参数值，是一款专业综合性的镜头参数测量仪器，定量检测镜头各项重要指标，为客户设计开发和检验镜头、摄像机参数设定提供依据和参考。通光系数分别测量白光通光系数(针对白天时镜头的通光量)和红外通光系数(针对红外850nm时通光量)数值，白光和红外由于镜片镀膜方式的不一致，镜头总体透过率相差10～40%左右(与镀膜方式和玻璃镜片多少有关)，最终影响白天和晚上的通光系数结果，因此分为两种通光系数，更能准确反映每个镜头通光量的性能指标。

　　主菜单显示测量结果 

　　4、 实测通光系数分析

　　通过使用“高效在线式镜头参数检测仪”对市场上的定焦和变焦百万、标清镜头实测其白光和红外通光系数结果，整理、分类和分析如下

　　1)、F数(相对孔径)一致，通光系数不一致

　　说明：镜头1镀膜为普通的单层镀膜;镜头2为多层宽带镀膜

　　从实测对比结果得知：镜头2通光系数明显高于镜头1，因此镜头通光量不仅仅与F数(相对孔径)有关，还与透过率有关;透过率又与镀膜方式相关，多层镀膜透过率好于单层镀膜。

　　下面两个图是某款镜头实际镀膜曲线图(多层镀膜透过率明显高于单层镀膜)

　　              单层镀膜曲线(585nm)                                       可见光多层镀膜曲线(400～700nm)

　　2)、同一个镜头，白光和红外通光系数不一致

　　说明:此6mm镜头是窄带(白光400~700nm)多层镀膜

　　从实测结果分析得知:同一个镜头由于镀膜带宽不一致,影响其不同光谱时的透过率,进而导致镜头通光量不一致,红外通光系数低于白光红外系数近20%;特别是日夜两用IR镜头,850nm时透过率高低不容忽视.如下图是某个品牌IR镜头的窄带、宽带镀膜曲线对比图

　　3)、重视镜头红外时通光量

　　说明:两款镜头均为2.8mm百万镜头,均为多层宽带镀膜

　　从实测结果分析得知:在F数一致的情况下,镜头1红外通光系数是92.7,而镜头2为80.3,通光量高出15%左右,因此镜头2在红外夜视时有更好的通光表现.在满足白天通光量足够的情况,通过镀膜工艺尽可能提升红外夜视时的通光量是将来发展趋势.

　　4)、F数(相对孔径)对通光量影响更大

　　说明:两款均为变焦镜头在短焦时的F数和通光系数

　　从实测结果分析得知：F1.02比F1.37相对孔径大，其通光系数基本是按 规律在变化，因此镜头通光量因相对孔径(F数)变化会更敏感。

　　5)、关注变焦镜头通光量变化

　　说明:市场上常见一款2.8-12mm镜头

　　从实测结果分析得知:变焦镜头供应商往往都是标注短焦时的F数,但长焦F数一般都没有说明,实测结果来看,通光系数下降近3倍,同样的红外灯,从短焦调到长焦时,图像亮度将会明显变暗,因此客户在使用中关注下变焦镜头通光量变化.

　　从实测结果总结归纳如下:

　　第一: F数(相对孔径)是按 规律影响镜头通光量,但在相同F数时,镜头通光量因透过率不一致而产生差异,因此通光系数更准确反映镜头通光量性能指标。

　　第二: 影响镜头透过率主要是镜头镀膜方式和镜片数量有关,下面是单层和多层镀膜对镜头透过率影响情况;从表(一)数据来看,百万镜头多层镀膜透过率比单层镀膜高出15~35%,镜片越多,两者差别就越大,因此百万镜头通光量不得不考虑镀膜的因素。

　　镀膜反射曲线图

　　镜头镀膜透过率分为单层和多层镀膜,一般而言,单层镀膜(增透膜为氟化镁)每个面透过率大约为98%左右,多层镀膜一般能做得到99.5%以上.

　　计算公式 (其中T是每个面透过率;n为镜片面的数量,每片有2个面);比如5片镜片镀单层膜则透过率 

　　表(一)

　　第三:目前百万IPC摄像机大多数都采用CMOS传感器,镜头在白天通光量很容易满足,但在晚上红外灯时,由于CMOS像感光像素面积小,感光效果不如CCD,景深也变小，因此适当相对孔径大些的镜头，同时更要注重红外通光系数的提升,镜头镀多层宽带(400~1000nm)膜是比较可行的方案。 

　　5、 如何选择镜头通光系数

　　随着百万CMOS IPC摄像机越来越多应用，目前CMOS的感光面积一般都在2.4～3.75µm远小于以前标清CCD的5.0～9.8µm，导致CMOS低照度性能远不如CCD，因此选择一款合适通光量镜头是研发部门需要考虑的事宜。

　　根据上述原理和“高效在线式镜头参数检测仪”实测的结果分析，镜头通光系数更能准确反映镜头通光量，因此通光系数测量数据可以作为摄像机厂家工程师设定摄像机的曝光时间(或者电子快门)和增益的参考依据。

　　1)、摄像机因CMOS/CCD照度等因素不一致，对镜头通光量要求也不一样。每个型号的CMOS/CCD图像传感器都需要挑选适合其通光量的镜头。另外摄像机应用场合不一致，所用镜头的通光量也是有差异的。比如用于运动物体和静止物体的监视时，同样一台摄像机监视运动物体时需要大通光量的镜头(摄像机需减少快门时间)。而静止物体监视时可用摄像机慢快门来加大CMOS/CCD的曝光时间，可选择通光量小的镜头。因此选择镜头通光量时要因摄像机具体情况而定，没有一个统一的标准，与CMOS/CCD固有性能和应用环境有关。

　　2)、镜头与摄像机现场调校来确定镜头的通光系数和F数。日夜红外摄像机调校是为了保证摄像机在白天工作时图像不要过曝(在自动电子快门时信号输出一般在0.7～1.2Vpp)，在晚上红外灯下工作时不能太暗(在自动电子快门时信号输出≥0.5Vpp)。有条件的工厂可用信号示波器来检测视频信号输出值，没条件的工厂可以在暗房内观察图像亮度和噪点的大小，然后选择一款适合最佳通光系数的镜头。

　　3)、选择镜头通光系数和F数需要注意的是：并不是通光系数越大越好。大口径的镜头往往分辨率会降低，对比度会下降，同时景深也会变小。光学工厂为了得到较好的分辨率与对比度，需要投入更高成本来研发和生产，价格往往很贵，追求“合适”的通光系数比“大”通光系数更具经济性。

　　4)、根据“高效在线式镜头参数检测仪”的实测结果可以总结出目前市场上通常选择的镜头通光系数和F数范围如下，仅供参考：

　　● 普通标清CCD(420～540TVL)，板机接口(M12X0.5)定焦镜头(如f=3.6mm)选择通光系数为50～80/F数为F3.0~F2.3;CS接口定焦镜头(如f=4mm)选择通光系数为100～130/F数为F1.8~F2.0;

　　● 百万高清CMOS(像素点2.2～3.75µm) IPC由于其像素点面积比CCD单元(5.0～9.8µm)小很多,因此需要更高的通光系数来满足其夜视要求。可参考CCD的通光系数做适当提升。

　　5)、在IR镜头的F数相同时，选择红外通光系数大的镜头，保证摄像机在晚上有更好的红外效果。

　　6)、在成本允许的情况下，尽量选择镀多层宽带膜的镜头：镜头镀膜方式影响其透过率、透过率越高则通光系数越大，多层镀膜比单层镀膜好，多层宽带镀膜比窄带多层镀膜好。备注：镀多层宽带膜，光学工厂投入成本相对较高。

　　7)、选择多层镀膜另外好处是能够消除或者减少镜头鬼影、眩光和光晕等现象，并且在色彩还原、逼真度、夜视等方面会表现更优秀，让您的摄像机在市场更具竞争力，如下图所示：

　　光晕通过多层镀膜改善对比

眩光现象                                          鬼影现象

　　6、总结

　　通过“高效在线式镜头参数检测仪”实测通光系数的结果来选择镜头，其性能指标是依据科学测量和类比的结果，比原来依靠肉眼判断更可靠和准确、更快捷易用，因此希望业界的客户能重视镜头通光系数对摄像机影响。

　　针对特定的摄像机选择一款合适的镜头，关联到镜头其它参数和指标，是一个综合、互相制约和平衡的结果，我们的建议就是“合适就是好的理念”，并不是所有指标越高越好。【来源单位：锐景达光电】