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摄像机镜头七角度详解

发布时间:2022-05-01   作者:苏州软易监控
摄像机镜头的作用是把被观察目标的光像呈现在摄像机的靶面上,也称光学成像。将各种不同形状、不同介质(塑料、玻璃或晶体)的光学零件(反射镜、透射镜、棱镜)按一定方式组合起来,使得光线经过这些光学零件的透射或反射以后,按照人们的需要改变光线的传输方向而被接收器件接收,即完成了物体的光学成像过程。

光学镜头应满足成像清晰、透光率强、像面照度分布均匀、图像畸变小、光圈可调等要求。

一般来说每个镜头都由多组不同曲面曲率的透镜按不同间距组合而成。间距和镜片曲率、透光系数等指标的选择决定了该镜头的焦距。

一、按其功能和操作方法镜头分类
 
摄像机镜头按其功能和操作方法分为常用镜头和特殊镜头两大类。

常用镜头又分为定焦镜头(自动和手动光圈)和变焦镜头(自动和手动光圈)。

特殊镜头是根据特殊工作环境而专门设计的,一般有广角镜头、针孔镜头等。

镜头

随着我国智能建筑行业的发展,安保技术在智能建筑中的地位与作用也与日俱增。闭路监控电视(简称CCTV)系统作为一种安保技术,在星级宾馆、涉外办公楼、银行、政府机关等场所越来越发挥着它的重要作用,包括现在的智能小区亦将CCTV系统作为安保及物业管理的一个重要手段。为了让CCTV技术在智能建筑中发挥更好的作用,在每项闭路电视监控工程中,如何正确选择摄像机镜头,对于经济指标与技术性能都是十分重要的。      
 
镜头的分类  
 
根据民用建筑的应用场合镜头的种类大致可分为:  
 
(1)广角镜头:视角在90度以上,一般用于电梯轿箱内、大厅等小视距大视角场所;  
 
(2)标准镜头:视角在30度左右,一般用于走道及小区周界等场所;     
 
(3)长焦镜头:视角在20度以内,焦距的范围从几十毫米到上百毫米,用于远距离监视  
 
(4)变焦镜头:镜头的焦距范围可变,可从广角变到长焦,用于景深大,视角范围广的区域; (5)针孔镜头:用于隐蔽监控。     
 
镜头焦距的确定    
 
在选择镜头时,有以下五个因素确定镜头标准:  
 
(1) 监控现场的大小;   
 
(2) 被摄物体的大小;  
 
(3) 物距;  
 
(4) 焦距;  
 
(5) CCD靶面尺寸 。  
 
前4点可由现场测量并通过计算来确定镜头的焦距标准,其计算方法如下:  
 
1/3″CCD F=4.8×L/W或F=3.6×L/H     
 
u 1/2″CCD F=6.4×L/W或F=4.8×L/H     
 
其中,W为被摄物体的宽度;H为被摄物体的高度;L为镜头到被摄物体间的距离;F为镜头焦距。   
 
那么为何在镜头的选用中考虑CCD靶面的尺寸呢?  
 
为了从1/3″与1/2″ CCD摄像机中获取同样的视角,1/3″ CCD摄像机镜头焦距必须缩短;相反如果在1/3″ CCD与1/2″ CCD摄像机中采用相同焦距的镜头,情况又如何呢?1/3″ CCD摄像机视角将比1/2″ CCD摄像机明显地减小,同时1/3″ CCD摄像机的图像在监视器上将比1/2″ CCD的图像放大,产生了使用长焦距镜头的效果。     
 
另外我们在选择镜头时还要注意这样一个原则:即小尺寸靶面的CCD可使用大尺寸靶面CCD摄像机的镜头,反之则不行。原因是:如1/2″ CCD摄像机采用1/3″镜头,则进光量会变小,色彩会变差,甚至图像也会缺损;反之,则进光量会变大,色彩会变好,图像效果肯定会变好。当然,综合各种因素,摄像机最好还是选择与其相匹配的镜头。     
 
手动光圈及自动光圈的选择  
 
镜头光圈分手动和自动两种。以往由于摄像机的使用在室外或其它特殊场合等缘故,所以较多选用自动光圈镜头。在目前的监控工程中,由于智能建筑大量使用CCTV系统,室内监控点占较高的比例。而许多工程商在做工程设备报价时,也同样喜欢采用自动光圈镜头。虽然自动光圈镜头对监控点的光线变化适应性较强,但其价格也明显高于相同焦距的手动定焦镜头。而现在大多数的摄像机都有电子快门,室内的光源也较为稳定,因此,智能建筑项目中大量采用自动光圈镜头没有太大的必要;另一方面,现在市场上用的自动光圈镜头分为二大类:a.电源驱动自动光圈镜头;b.视频驱动自动光圈镜头。

电源驱动自动光圈镜头是通过四根线控制镜头的,其中两根为DC12V或DC24V电源来驱动镜头中的马达,另两根控制线通过镜头内的光感应点感应外部光源的照度来控制光圈的大小;视频驱动自动光圈镜头则是通过三根线来控制镜头的,其中一根为视频触发信号来起动光圈,并控制光圈大小,另二根为DC12V或DC24V电源线驱动电机马达。目前市场上大多黑白或彩色摄像机虽然有自动光圈镜头接口,但除了少数可以兼容二种镜头以外,大多数摄像机不能兼容,只能使用电源驱动自动光圈镜头或视频驱动自动光圈镜头。

如果在使用中当一些摄像机损坏时,新购入的摄像机就有与原来的自动光圈镜头是否兼容的问题。但当工程中的监控点在室外时,采用带自动光圈的镜头是必要的,因为室外的光线的动态范围变化较大,夏日阳光下环境照度达50000Lx-100000Lx;夜间路灯时仅为10Lx,变化幅度相当大。在这种情况下摄像机无论是否具有自动调整灵敏度功能即通过摄像机本身的电子快门已不可能适应这么宽的照度范围,也就无法达到控制图像效果的作用。  
 
在电视监控系统中如何根据现场被监视环境,正确选用摄像机镜头是非常重要的,因为它直接影响到系统组成后在系统末端监视器上所看到的被监视面画的效果能否满足系统的设计要求(就画面范围或图像细节而言),所以正确的选用摄像机镜头可以使系统得到最优化设计并可获得良好的监视效果。  
 
摄像机镜头就光圈而言可分为手动光圈镜头及自动光圈镜头两种,就焦距而言又可分为定焦镜头及变焦镜头两种。  
 

定焦镜头
 
下面就以使用环境的不同谈如何正确选用摄像机镜头。  
 
1、 手动、自动光圈镜头的选用  
 
手动、自动光圈镜头的选用取决于使用环境的照度是否恒定。  
 
对于在环境照度恒定的情况下,如电梯轿箱内、封闭走廊里、无阳光直射的房间内,均可选用手动光圈镜头,这样可在系统初装调试中根据环境的实际照度,一次性整定镜头光圈大小,获得满意亮度画面即可。  
 
对于环境照度处于经常变化的情况,如随日照时间而照度变化较大的门厅、窗口及大堂内等,均需选用自动光圈镜头(必须配以带有自动光圈镜头插座的摄像机),这样便可以实现画面亮度的自动调节,获得良好的较为恒定亮度的监视画面。  
 
对于自动光圈镜头的控制信号又可分为DC及VIDEO控制两种,即直流电压控制及视频信号控制。这在自动光圈镜头的类型选用上,摄像机自动光圈镜头插座的连接方式上,以及选择自动光圈镜头的驱动方式开关上,三者注意协调配合好即可。  
 
2、定焦、变焦镜头的选用  
 
定焦、变焦镜头的选用取决于被监视场景范围的大小,以及所要求被监视场景画面的清晰程度。  
 
镜头规格(镜头规格一般分为1/3″、1/2″和2/3″等)一定的情况下,镜头焦距与镜头视场角的关系为:镜头焦距越长,其镜头的视场角就越小(见图1所示);在镜头焦距一定的情况下,镜头规格与镜头视场角的关系为:镜头规格越大,其镜头的视场角也越大。所以由以上关系可知:在镜头物距一定的情况下,随着镜头焦距的变大,在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就越小,但画面细节越来越清晰;而随着镜头规格的增大,在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就增大,但其画面细节越来越模糊。在镜头规格及镜头焦距一定的前提下,CS型接口镜头的视场角将大于C型接口镜头的视场角。  
 
镜头视场角可分为图像水平视场角以及图像垂直视场角,且图像水平视场角大于图像垂直视场角,通常我们所讲的视场角一般是指镜头的图像水平视场角。 在狭小的被监视环境中如电梯轿箱内,狭小房间均应采用短焦距广角或超广角定焦镜头,如选用镜头规格为1/2″,CS型接口,镜头焦距为3.6mm或2.6mm镜头,这些镜头视场角均不小于99°或127°,这对于摄像机在狭小空间里一般标高为2.5m左右时,其镜头的视场角范围足以覆盖整个近距离狭小被监视空间。

也可根据现场实际情况选用手动变焦镜头如日产Computar T2Z2814CS-2镜头,这种镜头为1/3″CS型接口手动光圈镜头,其焦距2倍可调(手动调焦)。调焦范围为2.8~6.0mm,视场角变化范围为96°~47.2°,这种镜头非常适合在狭小的被监视环境中使用,在使用时可方便地根据实际需要,灵活实现对被监视场景的“点”或“面”的监视效果。  
 
对于一般变焦(倍)镜头而言,由于其最小焦距通常为6.0mm左右,故其变焦(倍)镜头的最大视场角为45°左右,如将此种镜头用于这种狭小的被监视环境中,其监视死角必然增大,虽然可通过对前端云台进行操作控制,以减少这种监视死角,但这样必将会增加系统的工程造价(系统需增加前端解码器、云台、防护罩等),以及系统操控的复杂性,所以在这种环境中,不宜采用变焦(倍)镜头。  
 
在开阔的被监视环境中,首先应根据被监视环境的开阔程度,用户要求在系统末端监视器上所看到的被监视场景画面的清晰程度,以及被监视场景的中心点到摄像机镜头之间的直线距离为参考依据,在直线距离一定且满足覆盖整个被监视场景画面的前提下,应尽量考虑选用长焦距镜头,这样可以在系统末端监视器上获得一幅具有较清晰细节的被监视场景画面。在这种环境中也可考虑选用变焦(倍)镜头(电动三可变镜头),这可根据系统的设计要求以及系统的性能价格比决定,在选用时也应考虑两点:

(1)在调节至最短焦距时(看全景)应能满足覆盖主要被监视场景画面的要求;

(2)在调节至最长焦距时(看细节)应能满足观察被监视场景画面细节的要求。通常情况下,在室内的仓库、车间、厂房等环境中一般选用6倍或者10倍镜头即可满足要求,而在室外的库区、码头、广场、车站等环境中,可根据实际要求选用10倍、16倍或20倍镜头即可(一般情况下,镜头倍数越大,价格越高,可在综合考虑系统造价允许的前提下,适当选用高倍数变焦镜头)。  
 
3、正确选用镜头焦距的理论计算  
 
摄取景物的镜头视场角是极为重要的参数,镜头视场角随镜头焦距及摄像机规格大小而变化(其变化关系如前所述),覆盖景物镜头的焦距可用下述公式计算:  
 
(1)f=u•D/U  
 
(2)f=h•D/H  
 
f:镜头焦距、U:景物实际高度、H:景物实际宽度、D:镜头至景物实测距离、u:图像高度、h:图像宽度  
 
举例说明:  
 
当选用1/2″镜头时,图像尺寸为u=4.8mm,h=6.4mm。镜头至景物距离D=3500mm,景物的实际高度为U=2500mm(景物的实际宽度可由下式算出H=1.333•U,这种关系由摄像机取景器CCD片决定)。  
 
将以上参数代入公式(1)中,可得f=4.8•3500/2500=6.72mm,故选用6mm定焦镜头即可。
 
摄像部分一般安装在现场,它包括摄像机、镜头、防护罩、支架和电动云台。它的作用是对监视区域进行摄像并将其转换成电信号。  

一、像机分为彩色和黑白两种,一般黑白摄像机要比彩色的灵敏度高,比较适合用于光线不足的地方,如果使用的目的只是监视景物的位置和移动,可采用黑白摄像机;如果要分辨被摄像物体的细节,比如分辨衣服和景物的颜色,则采用彩色的比较好。 

摄像机的规格可分为1/3〃、1/2〃和2/3〃等,安装方式有固定和带云台二种。 

二、镜头  

常用的镜头种类包括:手动/自动光圈定焦镜头和自动光圈变焦镜头两种。  

定焦镜头分为标准镜头和广角镜头两种。定焦镜头的适用范围如下: 

手动光圈镜头:所需监视的环境照度变化不大,如室内。 

自动光圈镜头:所需监视的环境照度变化大,如室外。 

广角镜头:监视的角度较宽,距离较近。 

标准镜头:监视的角度和距离适中。 

变焦镜头分为10倍、6倍和2倍变焦镜头,另一种分法是:手动变焦和电动变焦(电动光圈和自动光圈)两种。 

变焦镜头在规则上可以划分为:1/3〃、1/2〃和1〃等。 

选择变焦镜头的原则是:镜头的规格不应小于摄像机的规格,也就是说1/2〃的镜头可以与1/3〃的摄像机一起使用,但是1/3〃的镜头就不能够在1/2〃的摄像机上使用。

二、镜头参数

㈠相对孔径

光圈的主要作用是通过控制镜头光量的大小满足成像所需的合适照度。光圈越大,靶面成像照度越大,摄像机输出信号强度越大,信噪比越高。
若光圈的实际孔径为ψ,由于光线通过透镜后的折射使镜头的有效孔径D 比实际孔径大,光圈的相对孔径等于有效孔径与镜头焦距之比,即:A=D/f,f 为镜头的焦距。

㈡光圈系数

通常将表征镜头光圈大小的参数定义成光圈系数,用F 表示。 光圈系数为镜头光圈相对孔径的倒数。F值的规律是后一个值正好是前一个数值的√2 倍,这是由于成像面中心亮度与(1/F)2成正比。F值越小相应灵敏度越大。常用值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等几个等级。

㈢视场角

我们常用视场角来表征观察景物的范围。所谓视场角是指在视场角内的景物可全部落入成像尺寸内,而视场角以外的景物将不被摄取。因此,镜头的视场角与摄像机的靶面及镜头的焦距有关。

根据几何原理可以得到视场角的计算公式如下:

ωH=2tg-1(h/2f)            ωV=2tg-1(v/2f)

式中ωH为水平视场角,ωV为垂直视场角,f 为镜头的焦距,h为摄像机靶面的水平宽度,v为摄像机靶面的垂直高度。具体数值可参阅摄像机一节。

当成像尺寸确定后,焦距越短,视场角越大。因此可将镜头分为长角镜头(视场角小于45°)、标准镜头(视场角为45°~50°)、广角镜头(视场角大于50°)、超广角镜头(视场角接近180°)、鱼眼镜头(视场角大于180° )等。

另外,我们还可以得到如下公式以计算其中任一未知项数据。 

f/v=D/V                 f/h=D/H

其中:       f───镜头焦距;       D───镜头至景物距离;

h───靶面宽度;       H───靶面高度。

三、镜头接口

镜头的安装方式有C型安装和CS型安装两种。C型安装接口指从镜头安装基准面到焦点的距离为17.526mm,而CS型接口的镜头安装基准面到焦点距离为12.5mm。因此将C型镜头安装到CS接口摄像机时需要加装一个5mm厚的接圈。

四、镜头的发展

镜头是影响图像品质的重要关键,如果镜头品质不佳,自然难拍摄出清晰的画面,传统的摄像机镜头所采用的镜片,可以通称为球面镜头,这是以镜头内镜片的表面曲线为球面形状来命名的。顾名思义,非球面镜头就是采用了不同于球面曲线的技术,也就是镜片研磨的形状为抛物线、二次曲线、三次曲线或高次曲线,这将依据设计功能上的不同而会有不同形状的曲线,因此统称为非球面镜头。

传统球面镜头为了校正相差、色差、球差、彗差、畸变、相散等问题,必须采用多片镜片来校正,这使得镜头的体积变的较大,由于每个镜片多少会有精度上的误差,因此要达到理想值并不容易,非球面镜头由于在设计时便已经考量到校正的因素,因此可以减少镜片的数量,使得镜头的精度更佳、清晰度更好、色彩还原更为准确,镜头内的光线反射得以降低,镜头体积也可以缩小。

以往非球面镜头多应用在仪器、机械加工设备上,但随著加工技术的提升,使得品质、效能提升,因此应用越来越广。目前非球面镜头除了具备高清晰度,录制的图像能够当作法律证据外,新推出的非球面镜头还具备变倍高、物距短、光圈大的特性,变倍高可以简化镜头的种类,物距短可以应用在近距离摄像的场合,光圈大则可以适应光线较暗的场所,使得应用领域日渐宽广。而在CCTV应用领域中也推出了非球面镜头,可以使用于一些如银行这类对于摄像品质要求较高的场所。
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