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                            CCTV光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)的若干問題 KA{Y*m^7  
                                  許正光 趙一菲 梁來順 <7
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                      (公安部第一研究所 光電技術(shù)事業(yè)部，北京，100044)  N5GQ2V  
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摘 要：本文綜述了CCTV光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造當(dāng)中涉及到一些值得關(guān)注的問題。這些問題包括設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想、先進(jìn)光學(xué)生產(chǎn)技術(shù)、CCTV鏡頭安全環(huán)保性能和RoSH指令、符合使用效果的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等。本文對(duì)以上問題進(jìn)行有益的總結(jié)和探討，對(duì)設(shè)計(jì)人員有一定參考價(jià)值。 CbRl/ 68HY  
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關(guān)鍵詞：CCTV光學(xué)鏡頭 先進(jìn)光學(xué)生產(chǎn)技術(shù) 非球面技術(shù)   RoSH指令 |(1z ?Spbe  
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    20世紀(jì)70年代以來，以先進(jìn)加工技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)和自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件為代表的先進(jìn)光學(xué)生產(chǎn)技術(shù)得到了長足發(fā)展，安防產(chǎn)業(yè)中廣泛使用的CCTV鏡頭充分分享到了這門先進(jìn)的技術(shù)帶來的好處，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造也由此發(fā)生了重大的變化。然而，和生產(chǎn)、制造、使用緊密相關(guān)的鏡頭設(shè)計(jì)過程并沒有完全脫離實(shí)踐當(dāng)中積累的經(jīng)驗(yàn)，許多經(jīng)驗(yàn)總結(jié)今天看來仍舊可以作為最基本的設(shè)計(jì)原則，而這些對(duì)剛剛?cè)腴T或正陷入困惑的業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)人員有一定的指導(dǎo)意義。此外，日益受到各國重視的CCTV鏡頭安全環(huán)保性能和歐洲正在推行的RoSH指令，使得安防鏡頭的材料和制造工藝也將面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。本文總結(jié)了一些筆者在CCTV光學(xué)鏡頭研制過程中的心得體會(huì)，供大家參考。 J3=^+/g  
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1 設(shè)計(jì)和使用必須緊密結(jié)合[1] I'RhA\`  
    評(píng)價(jià)CCTV光學(xué)鏡頭的好壞，直接涉及到使用、設(shè)計(jì)和制造三個(gè)方面，它們之間的關(guān)系極為密切。為了獲得一個(gè)較理想的光學(xué)鏡頭，光學(xué)設(shè)計(jì)人員首先清晰明確地了解使用要求、使用效果和設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)入加工制造時(shí)的可能性。在使用和設(shè)計(jì)要求方面，設(shè)計(jì)人員對(duì)CCTV鏡頭所要求的焦距、孔徑、視場(chǎng)、最近成像距離等光學(xué)特性參數(shù)和分辨率、畸變、光學(xué)傳遞函數(shù)等成像質(zhì)量特性參數(shù)都比較熟悉。而當(dāng)涉及使用效果方面的專業(yè)術(shù)語時(shí)，如有關(guān)像質(zhì)方面的亮度范圍、調(diào)子、反差、質(zhì)感等等概念，或者“放大倍率、觀察距離”等使用效果中的綜合感覺，光學(xué)設(shè)計(jì)人員就顯得有些不甚熟悉或者概念模糊。由此可見，CCTV鏡頭的設(shè)計(jì)人員必須深入實(shí)踐，克服與使用者的溝通障礙，能夠站在他們的角度考慮設(shè)計(jì)思路。這一個(gè)過程，實(shí)際上也是將使用者的“設(shè)計(jì)要求”正確變成“設(shè)計(jì)指標(biāo)”進(jìn)而變成“設(shè)計(jì)結(jié)果”的過程。 yu62$d  
    當(dāng)設(shè)計(jì)人員完整地清楚了使用者的設(shè)計(jì)要求后，才能確定可行的設(shè)計(jì)方法，并按照像差設(shè)計(jì)規(guī)律確定各種像差的平衡方案，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到符合使用要求的設(shè)計(jì)結(jié)果。然而，如何評(píng)價(jià)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求呢？實(shí)際上這里提出了“設(shè)計(jì)結(jié)果”如何體現(xiàn)“設(shè)計(jì)要求”的問題。光學(xué)設(shè)計(jì)階段的成像質(zhì)量評(píng)價(jià)原則，是基于長期光學(xué)設(shè)計(jì)和加工實(shí)踐反復(fù)摸索、總結(jié)規(guī)律而產(chǎn)生的理論。但是，根據(jù)這些評(píng)價(jià)原則對(duì)鏡頭進(jìn)行評(píng)價(jià)，并不代替未來產(chǎn)品的實(shí)際成像質(zhì)量，最終的成像質(zhì)量評(píng)價(jià)有待于產(chǎn)品生產(chǎn)制造出來后對(duì)產(chǎn)品通過各種儀器進(jìn)行測(cè)試和實(shí)際使用效果進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)實(shí)際也驗(yàn)證設(shè)計(jì)階段成像質(zhì)量評(píng)價(jià)的理論是否正確和發(fā)展這些理論。 WAbt8{$D  
    由此可見，鏡頭的設(shè)計(jì)和使用必須緊密結(jié)合。一般而言，根據(jù)使用要求所進(jìn)行的設(shè)計(jì)，總是預(yù)示著加工成產(chǎn)品之后的使用效果，兩者之間是有機(jī)聯(lián)系著的，有相對(duì)的一致性，存在著“變成”和“體現(xiàn)”的關(guān)系。 ?IV3"\5  
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2 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)是一個(gè)多方面綜合權(quán)衡的過程 VFwp .1oa!  
    在實(shí)際使用過程中對(duì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)是非常廣泛的，不但要求有理想的光學(xué)質(zhì)量，而且還對(duì)它的體積重量外形形式適應(yīng)性牢固度工藝性能材料選用造價(jià)成本等等都有一定要求。最好的成像質(zhì)量如果在工藝上、材料的物理化學(xué)性能上無法實(shí)現(xiàn)和保證，也無實(shí)際用處。至于體積重量等要求，有時(shí)候甚至就直接影響著系統(tǒng)的實(shí)際使用價(jià)值，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所有這些都要與像質(zhì)一起加以考慮，過分追求某一指標(biāo)或者忽略其他指標(biāo)都是片面的。 i(XqoR-x  
    光學(xué)系統(tǒng)不同使用場(chǎng)合有著不同的評(píng)價(jià)內(nèi)容，因此不同的光學(xué)系統(tǒng)其評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中“最好的”、“成像質(zhì)量最優(yōu)化的”未必就是實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)“最合適”的系統(tǒng)。從工程設(shè)計(jì)的角度看，一個(gè)成功的設(shè)計(jì)系統(tǒng)往往并不是選用最高精尖的技術(shù)手段和材質(zhì)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而是以能夠完成設(shè)計(jì)要求、成本最低為指導(dǎo)原則的。 [L
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    總之，從光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐的角度來說，解決使用要求變成設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)結(jié)果體現(xiàn)使用要求的成像質(zhì)量評(píng)價(jià)問題，極為重要，否則設(shè)計(jì)必然存在某種盲目性。但是，這是一個(gè)影響因素頗多、國內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)表尚少的復(fù)雜問題，需要設(shè)計(jì)人員不斷摸索實(shí)踐，涉獵相關(guān)邊緣學(xué)科，培養(yǎng)系統(tǒng)工程思維。 [2cG 7A  
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3 CCTV鏡頭的雜光、畸變和漸暈 GKKf#r74  
    CCTV鏡頭的光學(xué)成像質(zhì)量控制是光學(xué)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，本文著重從雜光、畸變和漸暈等方面淺談使用當(dāng)中的一些限制，這些限制告訴設(shè)計(jì)者這種類型的鏡頭設(shè)計(jì)并不需要接近理想鏡頭的程度。 k GzosUt  
    一般而言，雜光是由鏡片的漫反射和鏡筒引起的。光線通過一系列鏡片后，其部分能量損耗于光學(xué)零件的界面反射，且隨波利折射率的增加而增加，對(duì)高折射率玻璃尤甚，如重火石玻璃一個(gè)表面光反射損耗約6%左右。因此對(duì)于包含多片薄透鏡的光學(xué)鏡頭，提高透過率的主要途徑在于減少透鏡表面的反射損耗，涂敷表面增透膜層[2]。在我所生產(chǎn)的超廣角針孔鏡頭系列當(dāng)中，鏡片數(shù)有時(shí)達(dá)10片以上，如果不采取合適的鍍膜工藝，那么鏡頭光學(xué)透過率下降和雜光問題將十分嚴(yán)重。透鏡材料本身的不均勻性如氣泡、結(jié)石、條紋以及鍍?cè)鐾该髂げ涣嫉纫矔?huì)引起這種反射（折反射和長焦距鏡頭尤其重要）。工藝上還應(yīng)對(duì)鏡筒、透光外緣、光欄片作涂黑處理。一般而言，鏡頭的雜光不超過5% ~ 8%為宜，設(shè)計(jì)人員運(yùn)用Tracepro等光學(xué)軟件能夠在設(shè)計(jì)階段對(duì)雜光進(jìn)行較好的模擬仿真。 +3n07d
  
    在CCTV鏡頭設(shè)計(jì)中對(duì)圖像畸變要求沒有照相鏡頭嚴(yán)格，甚至有時(shí)適當(dāng)增大畸變來校正如像散等像差。經(jīng)驗(yàn)表明，一般畸變值在3%左右，人眼不易覺察出來。我所所內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)ZS 060-94規(guī)定，在40度視場(chǎng)內(nèi)，畸變?cè)试S在2%左右，每增加10度視場(chǎng)允許畸變量增加1%左右[3]。 B?J#NFUb  
    物鏡像面邊緣的照度與視場(chǎng)角的余弦的四次訪成比例，因此廣角CCTV鏡頭的畫面邊緣照度和中心照度之差別較大，通常有一定的漸暈現(xiàn)象。其次，光學(xué)設(shè)計(jì)中為了遮攔掉一部分像差不良的光束，也引入了漸暈。這種現(xiàn)象只需要攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)一塊中性灰板就能檢查出來。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)邊緣照度為中心的50% ~ 60%時(shí)，人眼還不易分辨，是允許的，低于這個(gè)數(shù)值在畫面上就容易看出來。 x5}Ru0Z  
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4   先進(jìn)光學(xué)生產(chǎn)技術(shù) +V6N/{^5  
    隨著光學(xué)材料技術(shù)、加工技術(shù)和多層精密鍍膜技術(shù)的發(fā)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鏡片技術(shù)逐漸應(yīng)用到了現(xiàn)代光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)當(dāng)中，這些技術(shù)就是目前常說的先進(jìn)光學(xué)生產(chǎn)技術(shù)。近些年來，現(xiàn)今光學(xué)生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到CCTV鏡頭當(dāng)中，多種像差能夠很好的控制，因此顯著地提高了成像質(zhì)量，而且視場(chǎng)更大，鏡片結(jié)構(gòu)更加簡單，聚光能力更強(qiáng)，變焦倍率更高。目前在中國監(jiān)控市場(chǎng)上常見的主流鏡頭是COMPUTAR、AVENIR（精工）、、TAMRON（騰龍）、FUJINON（富士）、YOBOO（優(yōu)伯）等，這些知名品牌都是先進(jìn)光學(xué)生產(chǎn)技術(shù)早先引入的領(lǐng)導(dǎo)者。 <}$o=>'  
然而，對(duì)國內(nèi)的生產(chǎn)廠商而言，塑料鏡片注塑實(shí)現(xiàn)非球面技術(shù)雖然基本上已經(jīng)成熟，但是目前僅適合大批量生產(chǎn)才能有效的降低成本。而特殊玻璃材料必然增加產(chǎn)品的成本。因此，要很好地利用當(dāng)前蓬勃發(fā)展先進(jìn)光學(xué)生產(chǎn)技術(shù)，還有待很好的權(quán)衡生產(chǎn)效率、鏡頭品質(zhì)和規(guī)模經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系[4]。 Y/_b~Ahn  
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5    鏡頭光學(xué)材料選擇和RoSH指令 miZ&9m  
    目前我國制造鏡頭所使用的火石類玻璃和重冕玻璃如果嚴(yán)格按照RoSH規(guī)定的鉛成分、放射性等限制，CCTV光學(xué)鏡頭產(chǎn)品都將屬于不合格產(chǎn)品。設(shè)計(jì)高級(jí)鏡頭中為降低色散常用鑭玻璃，鑭的同位素138La具有放射性。其次，光學(xué)鏡片的拋光工藝普遍使用拋光粉氧化鈰，鈰的同位素 是放射性的α放射體。此外，鏡頭光機(jī)結(jié)構(gòu)常用的鋁材、螺釘?shù)缺砻嫣幚聿牧隙疾环�合RoSH指令要求。 >*%mJX/F  
    當(dāng)然幸運(yùn)的是，由于這些材料和工藝嚴(yán)格按照RoSH指令進(jìn)行更換在短期內(nèi)技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)，因此RoSH指令當(dāng)前并沒有對(duì)光學(xué)鏡頭和光學(xué)儀器進(jìn)行限定和規(guī)定。但是，日本和歐洲企業(yè)的許多光學(xué)材料企業(yè)已經(jīng)投入了大量資金進(jìn)行新型替代光學(xué)材料方面的研究和工藝改進(jìn)，已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。我們完全可以預(yù)想，將來對(duì)CCTV光學(xué)鏡頭提出類似的安全環(huán)保性能限制是行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展必然趨勢(shì)，鏡頭設(shè)計(jì)人員選擇光學(xué)材料時(shí)就增加了更多限制。 cvvba 60  
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6 符合使用效果的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) `8%2F}x}qD  
    我們還要考慮到光學(xué)鏡頭在實(shí)際拍攝使用過程中的一些情況。了解使用情況以及特點(diǎn)以后才能更合理確定設(shè)計(jì)最佳方案。 r9uuVxBD  
(1) 攝像距離從10~20倍焦距開始直到無限遠(yuǎn)都要使用到，因此對(duì)無限遠(yuǎn)物體進(jìn)行像差的校正必須預(yù)先估計(jì)到物體移動(dòng)到近距離時(shí)像差變化情況。一般常用的工作距離為50倍焦距左右，因此首先要保證這一段距離有良好的像差質(zhì)量是必要的。對(duì)于變焦距鏡頭，由于它不是整體鏡頭聚焦，而是利用某些組元移動(dòng)來進(jìn)行調(diào)焦，因此它不但會(huì)使像差有較大的變化，而且有時(shí)候還會(huì)引起漸暈的加劇，甚至到缺角不能使用的地步，這是必須加以注意的。 H)5v X+9D  
(2) 一般安防用攝像機(jī)的感光度比較低，在室內(nèi)有燈光照明情況下，鏡頭的光圈用到F1.4~F3.5就基本滿足要求，室外照明時(shí)一般多在F3.5~F11之間。由于室內(nèi)空間限制，很少使用焦距在20毫米以上的鏡頭。由此，看來對(duì)于20毫米以內(nèi)的鏡頭首先保證F1.4~F3.5左右的光圈有較好的成像質(zhì)量是非常必要的，而對(duì)于焦距超過50毫米以上的鏡頭由于它常用于室外日光照明攝像，因此首先保證她在F8光圈內(nèi)有較好的像質(zhì)。而對(duì)于主要用于夜間遠(yuǎn)距離監(jiān)控的鏡頭，F(xiàn)數(shù)甚至達(dá)到F1.0，盡量在大相對(duì)口徑狀態(tài)下有良好像質(zhì)是必要的。而日夜兼用型的鏡頭，就要求在更寬的光圈范圍內(nèi)保證像質(zhì)。 u%vq<|~-  
(3) 為了適應(yīng)人們的觀察習(xí)慣，在通常情況下主題內(nèi)容多是布置在畫面較中央的部位，為此強(qiáng)調(diào)50%視場(chǎng)以內(nèi)的畫面有特別良好的像質(zhì)就非常必要，在0.70視場(chǎng)有較好像質(zhì)即可。為了保證畫面的完整性，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)照顧畫面邊緣有相應(yīng)的成像質(zhì)量。 jn9KQe\3  
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參考資料 R1X{=ct  
1.    電影鏡頭設(shè)計(jì)小組編.電影攝影物鏡光學(xué)設(shè)計(jì).中國工業(yè)出版社.1971年，1~10 14p <0BG  
2.    千福熹等著.光學(xué)玻璃.科技出版社.1982年，300~328 U_HOfix  
3.    SZ 060-94 電視光學(xué)鏡頭通用技術(shù)要求.中華人民共和國公安部第一研究所標(biāo)準(zhǔn).1993年4月1日實(shí)施 P'6eK?  
4.    辛企明著.光學(xué)塑料非球面制造技術(shù).國防工業(yè)出版社.2005年，17~42

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不錯(cuò)，謝謝樓主了

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不錯(cuò) M]c"4b;  
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