高清监控镜头五大核心技术及发展趋势

安防知识

2015年，安防监控行业依旧迅猛发展，视频监控高清化的步伐越走越深，同时高清化也促进了视频监控的网络化、智能化，加快高清监控大时代的进程。
在高清化普及之前，监控设备用户常常会碰到这样的情况，在办案取证或收集线索时，现场是有监控摄像机的，但查看录像后发现录像画面很差，人物模糊不清，充满雪花噪点，晚上更是漆黑一片，很难提取到有价值的信息，这些录像甚至被戏称为“俄罗斯方块组成的印象油画”。

一、监控镜头发展现状

近些年，随着安防技术推陈出新，高清技术开始广泛应用，高清摄像机也逐步取代标清摄像机，成为市场主流。高清摄像机能为用户提供更好的画质，更多的细节信息，减少了“俄罗斯方块组成的印象油画”笑剧。摄像机的高清效果，不仅仅是依靠更高像素的感光器件、更好的ISP技术、更高效的存储技术，高清镜头也是关键技术，没有匹配的高清镜头，高清摄像机也不能发挥出应有的高清效果。
高清镜头，也称超百万像素镜头，与普通镜头相比具有清晰度高、光谱透射能力强、做工更精密等优势。一般选取镜头成像圈中心及0.7视场的解像力作为评判镜头清晰度的标准，成像圈中心和0.7视场都能达到1000TVLine以上，才称之为高清镜头。
2010年起，高清镜头保持平均每年10%以上增长速度，目前国内CCTV高清镜头市场主要品牌有海康威视、凤凰光学、福建福光等国产品牌，以及富士能、腾龙、computar、宾得等日系品牌。由于国内光学技术迅速进步和安防镜头的国产化趋势，以海康威视为代表的国产品牌逐渐取代日系品牌，开始占据更多的市场份额。凭借对市场需求的精准把握和对性能、品质的不懈追求，目前海康威视的高清镜头产品已经涵盖了1/2.7”高清红外变焦，1/1.8”高清红外变焦和ITS高清等多个大的系列。

图1 视高清镜头

二、五大核心技术

镜头本身是高精密光学器件，高清镜头尤其如此。高清镜头之所以具备较佳的高清性能，离不开其采用的关键技术：

1.超精密模造非球面技术

传统的球面技术发展到今天，其设计技术和制造工艺都已相当成熟，在光学行业的几乎所有领域都有广泛的应用。然而在设计复杂高清镜头时，球面技术的成像效果无法达到最佳。非球面技术可以校正球面像差，大幅度提高镜头的成像质量。非球面镜片形状是通过精确计算并由精密机器模造而成，一片非球面镜片就能实现多个球面镜片校正像差的效果。采用超精密模造非球面镜片的镜头可以有效地减小镜头体积的同时，使得镜头的成像更清晰，透光度更好，色彩还原更加准确。

图2 非球面技术

2.多层宽带增透镀膜技术

多层宽带增透镀膜技术，能最大程度地提高镜头的光线透过率，降低光线在每个光学镜片表面的残余反射。该技术可以将玻璃和空气界面的可见光反射率抑制到0.5%以内，同时将近红外光的反射率降至约1%，如图3所示。通过高质量的镀膜，减少了图像上不必要的杂散光和鬼像，有效提高画面的通透性，亦保证了可靠的高清效果。

图3 普通单层增透镀膜和多层宽带增透镀膜对比

3.超低色散材料技术

普通监控镜头，在设计上也会考虑校正不同波长光线（红、绿、蓝）的像差，但通常是将两头的红、蓝两种色光的聚焦同一位置上，但和中间的绿光焦点仍然不重合，即存在二级光谱的像差，限制镜头成像质量进一步提升。为了校正二级光谱，如海康威视监控高清系列镜头，广泛使用了超低色散的光学玻璃材料，利用其不同于常规光学玻璃的色散特性，可以将红、绿、蓝等色光聚焦到同一个平面上，如图4所示，镜头高清性能更优。

图4 超低色散玻璃校正二级光谱

4.精密变焦凸轮设计技术

对于高清变焦镜头而言，其成像质量在很大程度上取决于变焦凸轮的精度。通过凸轮的旋转，带动变焦和聚焦组镜片前后移动，从而实现焦距的连续变化和聚焦点的调节。如果凸轮的精度不佳，则在变焦和聚焦的过程中，不可避免的会出现透镜光轴的偏移或者倾斜，导致成像质量的严重下降。海康威视高清系列监控镜头，采用精密变焦凸轮设计技术，能保证良好的凸轮制造精度，确保变焦和聚焦过程中的成像质量，同时也保证了顺滑而不失阻尼感的调节手感。

图5 高清镜头使用的变焦凸轮

5.步进马达技术

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增。而将步进马达技术应用于监控镜头将是促进安防智能化发展先进的一步。

镜头上步进马达的应用是目前最新的技术，对监控镜头实现数字精密控制至关重要。主要包括对光圈、变焦、聚焦自动及精密的控制，其精度可达0.01mm。AVENIRETOKU精工SSV2811CNDIRMP是步进马达技术的典型应用。

三、发展趋势

最近两年，随着高清摄像机在安防监控领域的应用不断扩大，带动高清监控镜头技术也紧跟着摄像机的步伐，不断升级，出现了4K超高清、超大光圈等新技术。

1.4K超高清技术

在去年北京安防展上，很多安防厂家纷纷展出了4K超高清摄像机。4K超高清技术出现之前，主流高清监控镜头像素为六百万以内。4K超高清技术的出现，对镜头的解像力提出了更高的要求，4K镜头的设计、制造难度都会增大许多，即使日系镜头厂商，目前也只有寥寥几家推出了4K镜头。海康威视于2014年10月发布了一款大靶面（1/1.7英寸）4K超高清镜头，这款镜头支持1200万像素，能提供超高清的图像细节的同时，具备165度超广视角，很适合于广场、道路等场景的监控需求。

图6 4K超高清镜头拍摄效果

2.超大光圈技术

随着安防监控日趋高清化、网络化、智能化，摄像机的应用范围也越来越广泛，很多监控条件差、光线昏暗的地方也要求安装功能多样的摄像机，尤其是低照度高清摄像机，以满足全天候24小时监控的需求。对于夜晚等低照度环境，如果摄像机采集光线不够，会造成画面很暗的情况，影响清晰度。摄像机低照度性能的提升，超大光圈镜头是关键技术之一。例如：海康威视于2014年11月发布一款恒定超大光圈变焦镜头！

镜头规格
光圈 F0.95
解像力 6MP
接口 CS
焦距 7~33mm
靶面 1/1.8”
最近拍摄距离 0.5m

图7 海康威视HV0733D-6MP镜头

这款镜头仅从参数来看，就足够震撼，至少是目前日系品牌镜头也找不到的。首先这款镜头采用超大光圈技术，光圈F数达到0.95，与光圈 F1.5的普通镜头相比，在相同焦距下拍摄低照度场景，这款镜头的图像亮度要高很多。同时此款镜头采用恒定光圈技术，在全焦段任意焦距下使用时，镜头的最大光圈值都是0.95。在夜间等较暗的环境下，恒定超大光圈技术让监控画面更亮，从而保证了夜间监控的高清化。图8 低照度效果对比

四、结语
高清化已是视频监控行业发展的必然趋势，高清设备也是各大安防厂商逐鹿市场的必备武器。作为在成像过程中起到关键作用的镜头，自然是高清化步伐的排头兵。在高清化的大潮中，已有的镜头设计、制造技术会不断成熟和普及，新的技术如文中介绍的4K超高清技术、超大光圈技术，也会不断进步和应用，也进而加速镜头的高清化步伐。

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