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光學(xué)工程師

2006-08-17 09:26

CCTV光學(xué)鏡頭設(shè)計的若干問題

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CCTV光學(xué)鏡頭設(shè)計的若干問題
許正光趙一菲梁來順
(公安部第一研究所光電技術(shù)事業(yè)部，北京，100044)

摘要：本文綜述了CCTV光學(xué)鏡頭設(shè)計和生產(chǎn)制造當中涉及到一些值得關(guān)注的問題。這些問題包括設(shè)計指導(dǎo)思想、先進光學(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設(shè)計經(jīng)驗等。本文對以上問題進行有益的總結(jié)和探討，對設(shè)計人員有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：CCTV光學(xué)鏡頭先進光學(xué)生產(chǎn)技術(shù) 非球面技術(shù) RoSH指令

20世紀70年代以來，以先進加工技術(shù)、先進材料技術(shù)和自動優(yōu)化設(shè)計軟件為代表的先進光學(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的技術(shù)帶來的好處，傳統(tǒng)的設(shè)計和生產(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)計過程并沒有完全脫離實踐當中積累的經(jīng)驗，許多經(jīng)驗總結(jié)今天看來仍舊可以作為最基本的設(shè)計原則，而這些對剛剛?cè)腴T或正陷入困惑的業(yè)內(nèi)設(shè)計人員有一定的指導(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峻考驗。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，供大家參考。

1 設(shè)計和使用必須緊密結(jié)合[1]
評價CCTV光學(xué)鏡頭的好壞，直接涉及到使用、設(shè)計和制造三個方面，它們之間的關(guān)系極為密切。為了獲得一個較理想的光學(xué)鏡頭，光學(xué)設(shè)計人員首先清晰明確地了解使用要求、使用效果和設(shè)計結(jié)果轉(zhuǎn)入加工制造時的可能性。在使用和設(shè)計要求方面，設(shè)計人員對CCTV鏡頭所要求的焦距、孔徑、視場、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。而當涉及使用效果方面的專業(yè)術(shù)語時，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)計人員必須深入實踐，克服與使用者的溝通障礙，能夠站在他們的角度考慮設(shè)計思路。這一個過程，實際上也是將使用者的“設(shè)計要求”正確變成“設(shè)計指標”進而變成“設(shè)計結(jié)果”的過程。
當設(shè)計人員完整地清楚了使用者的設(shè)計要求后，才能確定可行的設(shè)計方法，并按照像差設(shè)計規(guī)律確定各種像差的平衡方案，進而進行優(yōu)化設(shè)計，最終達到符合使用要求的設(shè)計結(jié)果。然而，如何評價優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果達到了設(shè)計要求呢？實際上這里提出了“設(shè)計結(jié)果”如何體現(xiàn)“設(shè)計要求”的問題。光學(xué)設(shè)計階段的成像質(zhì)量評價原則，是基于長期光學(xué)設(shè)計和加工實踐反復(fù)摸索、總結(jié)規(guī)律而產(chǎn)生的理論。但是，根據(jù)這些評價原則對鏡頭進行評價，并不代替未來產(chǎn)品的實際成像質(zhì)量，最終的成像質(zhì)量評價有待于產(chǎn)品生產(chǎn)制造出來后對產(chǎn)品通過各種儀器進行測試和實際使用效果進行檢驗。同時實際也驗證設(shè)計階段成像質(zhì)量評價的理論是否正確和發(fā)展這些理論。
由此可見，鏡頭的設(shè)計和使用必須緊密結(jié)合。一般而言，根據(jù)使用要求所進行的設(shè)計，總是預(yù)示著加工成產(chǎn)品之后的使用效果，兩者之間是有機聯(lián)系著的，有相對的一致性，存在著“變成”和“體現(xiàn)”的關(guān)系。

2 設(shè)計評價是一個多方面綜合權(quán)衡的過程
在實際使用過程中對一個光學(xué)系統(tǒng)的評價是非常廣泛的，不但要求有理想的光學(xué)質(zhì)量，而且還對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)性能上無法實現(xiàn)和保證，也無實際用處。至于體積重量等要求，有時候甚至就直接影響著系統(tǒng)的實際使用價值，在進行設(shè)計時所有這些都要與像質(zhì)一起加以考慮，過分追求某一指標或者忽略其他指標都是片面的。
光學(xué)系統(tǒng)不同使用場合有著不同的評價內(nèi)容，因此不同的光學(xué)系統(tǒng)其評價方法和標準也不一樣。在實際設(shè)計當中“最好的”、“成像質(zhì)量最優(yōu)化的”未必就是實際工程實現(xiàn)“最合適”的系統(tǒng)。從工程設(shè)計的角度看，一個成功的設(shè)計系統(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，而是以能夠完成設(shè)計要求、成本最低為指導(dǎo)原則的。
總之，從光學(xué)設(shè)計實踐的角度來說，解決使用要求變成設(shè)計要求，設(shè)計結(jié)果體現(xiàn)使用要求的成像質(zhì)量評價問題，極為重要，否則設(shè)計必然存在某種盲目性。但是，這是一個影響因素頗多、國內(nèi)外實踐經(jīng)驗總結(jié)發(fā)表尚少的復(fù)雜問題，需要設(shè)計人員不斷摸索實踐，涉獵相關(guān)邊緣學(xué)科，培養(yǎng)系統(tǒng)工程思維。

3 CCTV鏡頭的雜光、畸變和漸暈
CCTV鏡頭的光學(xué)成像質(zhì)量控制是光學(xué)設(shè)計的重要內(nèi)容，本文著重從雜光、畸變和漸暈等方面淺談使用當中的一些限制，這些限制告訴設(shè)計者這種類型的鏡頭設(shè)計并不需要接近理想鏡頭的程度。