解析非球面鏡頭的高清監控原理

文/周履冰

目前，監控市場上百萬像素的高清監控越來越普及，有一百萬像素、二百萬像素、五百萬像素、八百萬像素等等。由于總體像素的不斷的提高，光學傳感器的靶面尺寸也在逐漸增加。因此，相應鏡頭的靶面口徑尺寸也逐漸增大1/4"、 1/3"、 1/2"、 2/3"、 1"等。鏡頭靶面口徑的增大使得鏡頭鏡片尺寸增大。另外一些小F數的快速鏡頭也因為需要大的通光口徑。大鏡片會帶來大的球差等像差，雖然通過若干組鏡片可以對像差進行糾正，但如果采用非球面鏡則可以帶來更優秀的性能。

通常鏡頭的鏡片都是球面的，不管是凸面還是凹面、曲面都是球面，曲面上任何一點，其曲率都一樣。球面容易加工，容易測量。但是球面并不是光線成像的理想曲面。球面只有光線在距光軸很近的小范圍才具有理想光學的特性, 一般球面鏡片都會出現球差、色差、彗差、場曲、象散等像差，因此一個實用的鏡頭需要有多片不同曲率不同折射率鏡片來對像差進行糾正。即使一個經過像差糾正的鏡頭也不是所有像差都得到了糾正，只不過是幾條光帶的像差經過了糾正。一般鏡頭的邊緣有最大的像差，而且口徑越大的鏡頭越難糾正，因此，設計時會最先考慮鏡頭邊緣的像差糾正。所以，一個經過像差糾正鏡頭的殘余像差在半徑0.7或0.8處還是會比較大的。殘余的像差是制約高清鏡頭分辨率的重要因素。為了改善這種狀況，工程師可以不斷的增加鏡片。因為每增加一個透鏡就可以增加二個不同的曲面參數和一個不同玻璃折射率參數來參加鏡頭的像差改善。不過這樣也會帶來重量增加、透光率下降、組裝復雜等不利因素。

非球面鏡頭的優點分析

非球面鏡用一個高次曲線的旋轉曲面來代替球面，高次曲線有多項參數，因此，一片非球面鏡可以替代幾片球面鏡組合糾正的像差。從非球面鏡的斷面來看所呈現的高次曲線有二次，三次、四次甚至更高次的復雜曲線方程，目的是要使設計和計算的光線入射到非球面鏡面時，光線能夠聚焦到一點消除各種像差。目前，由于有了Code V、Oslo、Zemax 等大型光學設計軟件，可以對曲面不斷修改優化，可以對幾百條上千條光線追蹤仿真，因此非球面鏡設計已經不是高不可攀的難題了。當然一些著名的鏡頭公司還都有自己專利的曲線方程式。非球面鏡的優點主要是：

能消除球差，大大提高成像質量。球面鏡片具有球面像差的先天缺陷，無法徹底克服光斑現象。顯然，它成了高清攝像機鏡頭分辨率提高的障礙，影響成像質量。而用非球面鏡片，使光線經過高次曲面的折射，就可以把光線精確地聚焦于一點。從而校正了球面像差，大大提高了成像的質量。

可改善鏡片邊緣部分對光的折射率，消除光在球面鏡頭邊緣過折射引起的畸變失真。非球面鏡片的重要特點是可以改善鏡片邊緣部分對光的折射率，從而使鏡頭的邊緣成像變好。而球面鏡片，尤其高倍率球面鏡頭，更容易出現球差和畸變，尤其光線在球面鏡頭邊緣過折射引起的畸變失真。將非球面鏡頭用于高倍率的變焦鏡頭時，由于非球面鏡頭設計時，將邊緣入射的光線按球面鏡頭失真的反方向進行了修正，從而有效地消除了畸變。

使鏡頭光學結構簡化，能獲得更大的通光口徑。由于使用1片非球面鏡片可以代替一組球面鏡片，從而使攝像鏡頭的光學結構相對簡化，這樣在光學通路和機械結構上容易獲得更大的通光口徑。并且，由于非球面鏡頭能使邊緣部分的光線與中央部分的光線都能穿過鏡片聚焦到同一個平面，從而能清晰有效地利用整個鏡片的表面，使整個鏡片都能正確聚焦，相對使有效通光口徑變大。

使鏡頭體積小、重量輕，并增強透光率。由于非球面鏡頭的有效通光口徑增大，就能讓更多的光線投射到Sensor感光面上，也相應于增加了靈敏度。并且，因為1片非球面鏡片能頂替好幾片一組的球面鏡片，從而使攝像鏡頭的體積縮小、重量也減輕，并且光線經過的鏡片少，因而使透光率大大增強，圖像畫面也變得細致明亮。比如Canon 的一款NY210D二百萬像素變焦鏡頭，焦距從4.7mm到94mm，變焦達到20倍，Fo=1.6，而重量僅118克；另一款幾乎差不多大小的二百萬像素變焦鏡頭NY218A焦距從4.4mm到132mm，變焦達到30倍，Fo=1.4。這二款鏡頭達到如此良的指標，都是采用了非球面鏡。而且是雙面非球面鏡。這種雙面非球面鏡加工技術更有難度，因為非球面鏡是高次曲線旋轉而成的曲面，只有唯一的對稱軸，因此，要二個非球面的對稱軸完全重合才合格，而且一旦做錯無法挽回，不像球面鏡可以用磨邊定心法修正。所以這二款是非常優秀的鏡頭。

非球面鏡頭的加工方法

由于計算機的高速發展非球面鏡的設計已經不是困難的事了，像Code V、Zemax等光學設計軟件都可以設計非球面鏡并進行仿真和優化。非球面鏡的瓶頸還是在于加工，目前非球面鏡片的加工方法主要有三種：

第一種是研磨非球面鏡。就是直接用光學玻璃毛坯研磨出所需要的形狀的非球面鏡，工藝難度很大，成本也十分高昂，最早的非球面鏡幾乎都是這樣制作的。

第二種是模壓非球面鏡片。采用金屬鑄模技術將融化的光學玻璃/光學樹脂直接壓制而成，這種制造工藝成本相對較低，而且現在大部分模壓非球面鏡的材質都是光學樹脂，玻璃的還較少。

第三種是復合非球面鏡片。在研磨成球面的玻璃鏡片表面上覆蓋一層特殊的光學樹脂，然后將光學樹脂部分研磨成非球面。這種制造工藝的成本界于上述兩種工藝之間，是中高檔鏡頭所用的非球面鏡的主要制作方法。

結束語

總而言之，非球面鏡雖然較難加工，但現正逐漸在百萬像素高清鏡頭中開始應用，隨著像素的越來越高，對鏡頭的分辨率要求也就越來越高。用非球面鏡來糾正像差將越來越多。而且將越來越多的的應用于百萬像素的大變倍鏡頭、低照度大口徑鏡頭、大靶面鏡頭。