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[2009-1-10]
 

      摄像机镜头是视频监视系统的最关键设备,它的质量(指标)优劣直接影响摄像机的整机指标,因此,摄像机镜头的选择是否恰当既关系到系统质量,又关系到工程造价。
     镜头相当于人眼的晶状体,如果没有晶状体,人眼看不到任何物体;如果没有镜头,那么摄像头所输出的图像就是白茫茫的一片,没有清晰的图像输出,这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的。   当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时,也就是人们常说的近视眼,眼前的景物就变得模糊不清;摄像头与镜头的配合也有类似现象,当图像变得不清楚时,可以调整摄像头的后焦点,改变 CCD 芯片与镜头基准面的距离(相当于调整人眼晶状体的位置),可以将模糊的图像变得清晰。
      由此可见,镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道:设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距,施工人员经常进行现场调试,其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。
1、镜头的分类  
按外形功能分     按尺寸大小分     按光圈分     按变焦类型分    按焦距长矩分
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  球面镜头        1” 25mm      自动光圈      电动变焦        长焦距镜头
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非球面镜头      1/2” 3mm       手动光圈      手动变焦        标准镜头  
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  针孔镜头       1/3” 8.5mm    固定光圈      固定焦距      广角镜头  
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  鱼眼镜头          2/3” 17mm         
  (1)以镜头安装分类  
所有的摄象机镜头均是螺纹口的,CCD摄象机的镜头安装有两种工业标准,即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同,但两者从镜头到感光表面的距离不同。  
C安装座:从镜头安装基准面到焦点的距离是 17.526mm 。  
CS安装座:特种C安装,此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是 12.5mm 。如果要将一个C安装座镜头安装到一个CS安装座摄象机上时,则需要使用镜头转换器。  
(2)以摄象机镜头规格分类  
摄象机镜头规格应视摄象机的CCD尺寸而定,两者应相对应。即  
摄象机的CCD靶面大小为1/2英寸时,镜头应选1/2英寸。  
摄象机的CCD靶面大小为1/3英寸时,镜头应选1/3英寸。  
摄象机的CCD靶面大小为1/4英寸时,镜头应选1/4英寸。  
如果镜头尺寸与摄象机CCD靶面尺寸不一致时,观察角度将不符合设计要求,或者发生画面在焦点以外等问题。  
(3)以镜头光圈分类  
镜头有手动光圈( manual iris )和自动光圈( auto iris )之分,配合摄象机使用,手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合,自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整,故适用亮度变化的场合。自动光圈镜头有两类:一类是将一个视频信号及电源从摄象机输送到透镜来控制镜头上的光圈,称为视频输入型,另一类则利用摄象机上的直流电压来直接控制光圈,称为DC输入型。  
自动光圈镜头上的ALC(自动镜头控制)调整用于设定测光系统,可以整个画面的平均亮度,也可以画面中最亮部分(峰值)来设定基准信号强度,供给自动光圈调整使用。一般而言,ALC已在出厂时经过设定,可不作调整,但是对于拍摄景物中包含有一个亮度极高的目标时,明亮目标物之影像可能会造成 “ 白电平削波 ” 现象,而使得全部屏幕变成白色,此时可以调节ALC来变换画面。  
另外,自动光圈镜头装有光圈环,转动光圈环时,通过镜头的光通量会发生变化,光通量即光圈,一般用F表示,其取值为镜头焦距与镜头通光口径之比,即:F= f (焦距)/D(镜头实际有效口径),F值越小,则光圈越大。  
采用自动光圈镜头,对于下列应用情况是理想的选择,它们是:  
在诸如太阳光直射等非常亮的情况下,用自动光圈镜头可有较宽的动态范围。  
要求在整个视野有良好的聚焦时,用自动光圈镜头有比固定光圈镜头更大的景深。  
要求在亮光上因光信号导致的模糊最小时,应使用自动光圈镜头。  
(4)以镜头的视场大小分类  
标准镜头:视角30度左右,在1/2英寸CCD摄象机中,标准镜头焦距定为12 mm ,在1/3英寸CCD摄象机中,标准镜头焦距定为8 mm 。  
广角镜头:视角90度以上,焦距可小于几毫米,可提供较宽广的视景。  
远摄镜头:视角20度以内,焦距可达几米甚至几十米,此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大,但使观察范围变小。  
变倍镜头( zoom lens ):也称为伸缩镜头,有手动变倍镜头和电动变倍镜头两类。  
可变焦点镜头( vari-focus lens ):它介于标准镜头与广角镜头之间,焦距连续可变,即可将远距离物体放大,同时又可提供一个宽广视景,使监视范围增加。变焦镜头可通过设置自动聚焦于最小焦距和最大焦距两个位置,但是从最小焦距到最大焦距之间的聚焦,则需通过手动聚焦实现。  
针孔镜头:镜头直径几毫米,可隐蔽安装。  
(5)从镜头焦距上分  
短焦距镜头:因入射角较宽,可提供一个较宽广的视野。  
中焦距镜头:标准镜头,焦距的长度视CCD的尺寸而定。  
长焦距镜头:因入射角较狭窄,故仅能提供狭窄视景,适用于长距离监视。  
变焦距镜头:通常为电动式,可作广角、标准或远望等镜头使用。  
2、选择镜头的技术依据  
(1)镜头的成像尺寸  
应与摄象机CCD靶面尺寸相一致,如前所述,有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸等规格。  
(2)镜头的分辨率  
描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变,但对拥护而言,需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率,以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位,计算公式为:镜头分辨率N=180/画幅格式的高度。由于摄象机CCD靶面大小已经标准化,如1/2英寸摄象机,其靶面为宽 6.4mm *高 4.8mm ,1/3英寸摄象机为宽 4.8mm *高 3.6mm 。因此对1/2英寸格式的CCD靶面,镜头的最低分辨率应为38对线/ mm ,对1/3英寸格式摄象机,镜头的分辨率应大于50对线,摄象机的靶面越小,对镜头的分辨率越高。  
(3)镜头焦距与视野角度  
首先根据摄象机到被监控目标的距离,选择镜头的焦距,镜头焦距 f 确定后,则由摄象机靶面决定了视野。  
(4)光圈或通光量  
镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量,以F为标记,每个镜头上均标有其最大的F值,通光量与F值的平方成反比关系,F值越小,则光圈越大。所以应根据被监控部分的光线变化程度来选择用手动光圈还是用自动光圈镜头。  
3、变焦镜头( zoom lens )  
变焦镜头有手动伸缩镜头和自动伸缩镜头两大类。伸缩镜头由于在一个镜头内能够使镜头焦距在一定范围内变化,因此可以使被监控的目标放大或缩小,所以也常被成为变倍镜头。典型的光学放大规格有6倍( 6.0~36mm,F1.2 )、8倍( 4.5~36mm,F1.6 )、10倍( 8.0~80mm,F1.2 )、12倍( 6.0~72mm,F1.2 )、20倍( 10~200mm,F1.2 )等档次,并以电动伸缩镜头应用最普遍。为增大放大倍数,除光学放大外还可施以电子数码放大。   在电动伸缩镜头中,光圈的调整有三种,即:自动光圈、直流驱动自动光圈、电动调整光圈。其聚焦和变倍的调整,则只有电动调整和预置两种,电动调整是由镜头内的马达驱动,而预置则是通过镜头内的电位计预先设置调整停止位,这样可以免除成像必须逐次调整的过程,可精确与快速定位。在球形罩一体化摄像系统中,大部分采用带预置位的伸缩镜头。  
   另一项令用户感兴趣的则是快速聚焦功能,它由测焦系统与电动变焦反馈控制系统构成。   
4 、镜头与摄像机 CCD 尺寸的关系
1/2” 镜头既可用于1/2” 摄像机,也可用于 1/3” 摄像机,但视角会减少25% 左右。
1/3” 镜头不能用于 1/2” 摄像机,只能用于 1/3” 摄像机。  
5 、不同种类镜头的应用范围    
●  手动、自动光圈镜头的应用范围   手动光圈镜头是的最简单的镜头,适用于光照条件相对稳定的条件下,手动光圈由数片金属薄片构成。光通量靠镜头外径上的一个环调节。旋转此圈可使光圈收小或放大。   在照明条件变化大的环境中或不是用来监视某个固定目标,应采用自动光圈镜头,比如在户外或人工照明经常开关的地方,自动光圈镜头的光圈的动作由马达驱动,马达受控于摄像机的视频信号。   手动光圈镜头和自动光圈镜头又有定焦距(光圈)镜头自动光圈镜头和电动变焦距镜头之分。  
●  定焦距(光圈)镜头,一般与电子快门摄像机配套,适用于室内监视某个固定目标的场所作用。   定焦距镜头一般又分为长焦距镜头,中焦距镜头和短焦距镜头。中焦距镜头是焦距与成像尺寸相近的镜头;焦距小于成像尺寸的称为短距镜头,短焦距镜头又称广角镜头,该镜头的焦距通常是 28mm 以下的镜头,短焦距镜头主要用于环境照明条件差,监视范围要求宽的场合,焦距大于成像尺寸的称为长焦距镜头,长焦距镜头又称望远镜头,这类镜头的焦距一般在 150mm 以上,主要用于监视较远处的景物。  
●  手动光圈镜头,可与电子快门摄像机配套,在各种光线下均可使用。  
●  自动光圈镜头,( EF )可与任何 CCD 摄像机配套,在各种光线下均可使用,特别用于被监视表面亮度变化大、范围较大的场所。为了避免引起光晕现象和烧坏靶面,一般都配自动光圈镜头。  
●  电动变焦距镜头,可与任何 CCD 摄像机配套,在各种光线下均可使用,变焦距镜头是通过遥控装置来进行光对焦,光圈开度,改变焦距大小的。  
6 、镜头的主要性能指标有以下几个:  
● 1  焦距:焦距的大小决定着视场角的大小,焦距数值小,视场角大,所观察的范围也大,但距离远的物体分辨不很清楚;焦距数值大,视场角小,观察范围小,只要焦距选择合适,即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的,一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角,所以在选择镜头焦距时,应该充分考虑是观测细节重要,还是有一个大的观测范围重要,如果要看细节,就选择长焦距镜头;如果看近距离大场面,就选择小焦距的广角镜头。  
● 2  光阑系数:即光通量,用 F 表示,以镜头焦距 f 和通光孔径 D 的比值来衡量。每个镜头上都标有最大 F 值,例如 6mm/F1.4 代表最大孔径为 4.29 毫米。光通量与 F 值的平方成反比关系, F 值越小,光通量越大。镜头上光圈指数序列的标值为 1.4 , 2 , 2.8 , 4 , 5.6 , 8 , 11 , 16 , 22 等,其规律是前一个标值时的曝光量正好是后一个标值对应曝光量的 2 倍。也就是说镜头的通光孔径分别是 1/1.4 , 1/2 , 1/2.8 , 1/4 , 1/5.6 , 1/8 , 1/11 , 1/16 , 1/22 ,前一数值是后一数值的根号 2 倍,因此光圈指数越小,则通光孔径越大,成像靶面上的照度也就越大。另外镜头的光圈还有手动( MANUAL IRIS )和自动光圈( AUTO IRIS )之分。配合摄像头使用,手动光圈适合亮度变化不大的场合,它的进光量通过镜头上的光圈环调节,一次性调整合适为止。自动光圈镜头会随着光线的变化而自动调整,用于室外、入口等光线变化大且频繁的场合。    
● 3  自动光圈镜头:自动光圈镜头目前分为两类:一类称为视频( VIDEO )驱动型,镜头本身包含放大器电路,用以将摄像头传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制。另一类称为直流( DC )驱动型,利用摄像头上的直流电压来直接控制光圈。这种镜头只包含电流计式光圈马达,要求摄像头内有放大器电路。对于各类自动光圈镜头,通常还有两项可调整旋钮,一是 ALC 调节(测光调节),有以峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择,一般取平均测光档;另一个是 LEVEL 调节(灵敏度),可将输出图像变得明亮或者暗淡。  
● 4  变倍镜头:变倍镜头分为手动( MANUAL ZOOM LENS )和电动( AUTO ZOOM LENS )两种,手动变倍镜头一般用于科研项目而不用在闭路监视系统中。在监控很大的场面时,摄像头通常要配合电动镜头和云台使用。电动镜头的好处是变焦范围大,既可以看大范围的情况,也可以聚焦某个细节,再加上云台可以上下左右的转动,可视范围就非常大了。电动镜头有 6 倍、 10 倍、 15 倍、 20 倍等多种倍率,如果再知道基准焦距,就可以确定镜头焦距的可变范围。例如一个 6 倍电动镜头,基准焦距为 8.5 毫米,那么其变焦范围就是 8.5 到 51 毫米连续可调,视场角为 31.3 到 5.5 度。电动镜头的控制电压一般是直流 8V~16V ,最大电流为 30 毫安。所以在选控制器时,要充分考虑传输线缆长度,如果距离太远,线路产生的电压下降会导致镜头无法控制,必须提高输入控制电压或更换视频矩阵主机配合解码器控制。  
7 、焦距的计算:  
1 公式计算法:视场和焦距的计算   视场系指被摄取物体的大小,视场的大小是以镜头至被摄取物体距离,镜头焦头及所要求的成像大小确定的。  
1 、镜头的焦距,视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下;  
f=wL/W      2 、 f=hL/h 
    f ;镜头焦距    w :图象的宽度(被摄物体在 ccd 靶面上成象宽度)  
    W :被摄物体宽度  
    L :被摄物体至镜头的距离  
    h :图象高度(被摄物体在 ccd 靶面上成像高度)视场(摄取场景)高度  
     H :被摄物体的高度  
   ccd 靶面规格尺寸:      单位 mm 
规格   1/3"       1/2"     2/3"            1 
W    4.8        6.4       8.8            12.7 
H     3.6      4.8        6.6            9.6 
由于摄像机画面宽度和高度与电视接收机画面宽度和高度一样,其比例均为 4:3, 当 L 不变, H 或 W 增大时, f 变小,当 H 或 W 不变, L 增大时, f 增大。  
2 视场角的计算   如果知道了水平或垂直视场角便可按公式计算出现场宽度和高度。   水平视场角 β (水平观看的角度)  β=2tg-1=  垂直视场角 q (垂直观看的角度)  q=2tg-1=  式中 w 、 H 、 f 同上   水平视场角与垂直视场角的关系如下:  q= 或 =q  表 2 中列出了不同尺寸摄像层和不同焦距 f 时的水平视场角 b 的值,如果知道了水平或垂直场角便可按下式计算出视场角便可按下式计算出视场高度 H 和视场宽度 W. H=2Ltg 、 W=2Ltg  例如;摄像机的摄像管为 17mm(2/3in), 镜头焦距 f 为 12mm ,从表 2 中查得水平视场角为 40 ℃ 而镜头与被摄取物体的距离为 2m ,试求视场的宽度 w 。  W=2Ltg=2×2tg=1.46m  则 H=W=×1.46=1.059m  焦距 f 越和长,视场角越小,监视的目标也就小。  
图解法   如前所示,摄像机镜头的视场由宽( W )。高( H )和与摄像机的距离( L )决定,一旦决定了摄像机要监视的景物,正确地选择镜头的焦距就由来 3 个因素决定;  *. 欲监视景物的尺寸  *. 摄像机与景物的距离  *. 摄像机成像器的尺士: 1/3" 、 1/2" 、 2/3" 或 1" 。   图解选择镜头步骤:   所需的视场与镜头的焦距有一个简单的关系。利用这个关系可选择适当的镜头。   估计或实测视场的最大宽度;估计或实测量摄像机与被摄景物间的距离;使用 1/3” 镜头时使用图 2 ,使用 1/2 镜头时使用图 3 ,使用 2/3” 镜头时使用图 4 ,使用 1 镜头时使用图 5 。具体方法:在以 W 和 L 为座标轴的图示 2-5 中,查出应选用的镜头焦距。为确保景物完全包含在视场之中,应选用座标交点上,面那条线指示的数值。例如:   视场宽 50m, 距离 40m, 使用 1/3" 格式的镜头,在座标图中的交点比代表 4mm 镜头的线偏上一点。这表明如果使用 4mm 镜头就不能覆盖 50m 的视场。而用 2.8mm 的镜头则可以完全覆盖视场。  
f=vD/V   或   f=hD/H 
其中, f 代表焦距, v 代表 CCD 靶面垂直高度, V 代表被观测物体高度, h 代表 CCD 靶面水平宽度, H 代表被观测物体宽度。
      举例:假设用 1/2”CCD 摄像头观测,被测物体宽 440 毫米,高 330 毫米,镜头焦点距物体 2500 毫米。由公式可以算出:
                      焦距 f=6.4X2500/440≈36 毫米    或
                      焦距 f=4.8X2500/330≈36 毫米
      当焦距数值算出后,如果没有对应焦距的镜头是很正常的,这时可以根据产品目录选择相近的型号,一般选择比计算值小的,这样视角还会大一些。


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