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监控镜头常识及与CCD使用场景

  摄像机镜头选择是视频监视系统项目中最关键的要素之一,它的质量(指标)优劣直接影响摄像机的整机指标以及整个工程项目的系统质量,同时也关系到工程造价。由此可见,摄像机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。

监控镜头

  CCTV摄像机镜头主要生产地

  全球范围:日本、韩国、德国、中国、中国台湾

  中国境内:福建、广东、河南、甘肃、吉林

  主要城市:福州、深圳、厦门、长春、南阳、兰州、信阳

  目前,CCTV镜头世界一流品牌基本都集中在日本,如精工、Tamron、computar、FUJINON、Tokina、Canon、Avenir台湾亚洲光学等

  国内部份镜头厂商主要有:长春东亚光学、南阳卧龙光学、南阳禾立光学、福州鸿发光、福州市正盛光电仪器、厦门力鼎光电、福州飞华光电、世泰鑫锐光电等

  目前,国内镜头需求大镜头(C/CS接口)与小镜头(M12接口)所占的比例分别为25%和75%。

  镜头在摄像机成本构成中的比例为20%左右,是摄像机的重要组成部分。与摄像机从高端到低端完整的产品链相对应,CCTV镜头也形成了从高档到中档到低档的完整的产品链,价格从几十元到几百元,几百元到几千元,一应俱全。利润水平也相差很大,常用的单板机镜头,利润已很低;技术含量越高,功能越先进的镜头,利润也就越大。

  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。

  镜头是摄像机的眼睛,为了适应不同的监控环境和要求,需要配置不同规格的镜头。比如在室内的重点监视,要进行清晰且大视场角度的图像捕捉,得配置广角镜头;在室外的停车场,既要看到停车场全貌,又要能看到汽车的细部,这时候需要变焦镜头。

  摄像机镜头的分类

  视频监控系统摄像机镜头品种繁多,从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头、长焦镜头、变焦镜头;从视场大小分有广角、标准、远景镜头;结构上分有固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头、电动三可变镜头等。

视频监控镜头的分类
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
球面镜头 1" 25mm 自动光圈 电动变焦 长焦距镜头
非球面镜头 1/2" 3mm 手动光圈 手动变焦 标准镜头
针孔镜头 1/3" 8.5mm 固定光圈 固定焦距 广角镜头
鱼眼镜头 2/3" 17mm      

  (1)以镜头安装方式分类:所有的摄像机镜头均是螺纹口的,CCD摄像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,此时应将摄像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。C型安装的摄像机可用CS型镜头,但CS安装的摄像机不能使用C型镜头。如果要将一个C安装座镜头安装到一个CS安装座摄像机上时,则需要使用镜头转换器。

  (2)以摄像机镜头规格分类:摄像机镜头规格应视摄像机的CCD尺寸而定,两者应相对应。即摄像机的CCD靶面大小为1/2英寸时,镜头应选1/2英寸。摄像机的CCD靶面大小为1/3英寸时,镜头应选1/3英寸。 摄像机的CCD靶面大小为1/4英寸时,镜头应选1/4英寸。如果镜头尺寸与摄像机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。1/2英寸的镜头可用于1/2英寸、1/3英寸的摄像机;而1/3英寸的镜头只能用于1/3英寸的摄像机,不能用于1/2英寸的摄像机,这是因为1/3英寸镜头光通量只有1/2英寸镜头光通量的44%,不能满足1/2英寸的摄像机的光通量要求。

  (3)以镜头光圈分类:固定光圈镜头、手动光圈(manual iris)和自动光圈(auto iris)之分,配合摄像机使用,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。

  固定光圈镜头,其通光量是固定不变的。主要用光源恒定或摄像机自带电子快门的情况。

  自动光圈镜头有两类:一类是将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈,它将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈,这种视频输入型镜头内包含有放大器电路,用以将摄像机传来的视频信号转换成对光圈马达的控制,称为视频输入型Video driver(with Amp);另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈,它利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈,这种镜头内只包含电流计式光圈马达,摄像机内没有放大器电路,称为DC输入型(DC driverno Amp)。二种驱动方式产品不具可互换性,但现已有通用型自动光圈镜头推出。

  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摄像机中,标准镜头焦距定为12mm,在1/3英寸CCD摄像机中,标准镜头焦距定为8mm。

  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,观察范围较大,近处图像有变形

  标准镜头:视角30度左右,使用范围较广

  长焦镜头:视角20度以内,焦距可达几十毫米或上百毫米,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。

  注: 三可变镜头:可调焦距、调聚焦、调光圈。 二可变镜头:可调焦距、调聚焦、自动光圈。

常见镜头视角角度
焦距 规格 角度
2.1 mm小镜头 1/3 150°
2.5mm小镜头 1/3 130°
2.8mm小镜头 1/3 115°
2.8mm固定光圈 1/3 115°
3.6mm 1/3 96°
4mm 1/3 78°
6mm 1/3 53°
8mm 1/3 40°
12mm 1/3 23°
16mm 1/3 17°
3.5-8mm 1/3 96°- 45°
6-15mm  1/3 54°- 23°
6-36mm电动变倍镜头 1/3 51°- 9°
8.5-51mm电动变倍镜头 1/3 57°- 10°
6-60mm电动变倍镜头 1/3 52°- 6°

  (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、长焦变化。

  镜头的主要参数

  焦距(f,也称视场角):焦距是镜头和感光元件之间的距离,通过改变镜头的焦距,可以改变镜头的放大倍数,改变拍摄图像的大小。在工程实际中,我们常用水平视场角来反映画面的拍摄范围。焦距f越大,视场角越小,在感光元件上形成的画面范围越小;反之,焦距f越小,视场角越大,在感光元件上形成的画面范围越大。当物体与镜头的距离很远的时候,我们可用下面公式表达:镜头的放大倍数≈焦距/物距。增加镜头的焦距,放大倍数增大了,可以将远景拉近,画面的范围小了,远景的细节看得更清楚了;如果减少镜头的焦距,放大倍数减少了,画面的范围扩大了,能看到更大的场景。

  光圈:光圈安装在镜头的后部,光圈开得越大,通过镜头的光量就越大,图像的清晰度越高;光圈开得越小,通过镜头的光量就越小,图像的清晰度越低。通常用F(光通量)来表示。F=焦距(f)/通光孔径(相对孔径,镜头的相对孔径决定被摄像机的照度,摄像机的照度与镜头的相对孔径的平方成正比。)。在摄像机的技术指标中,我们可以常常看到6mm/F1.4这样的参数,它表示镜头的焦距为6mm,光通量为1.4,这时我们可以很容易地计算出通光孔径为4.29mm。在焦距f相同的情况下,F值越小,光圈越大,到达CCD芯片的光通量就越大。

  镜头与CCD感光元件的配置

  CCD的成像尺寸,也就是摄像机画面宽度和高度的比例与电视机画面宽度和高度比例一样,通常为4:3。这样保证了摄像机的视频图像在显示器上的图像不变形。

CCD感光芯片

  镜头焦距的配置、确定合适的焦距,是决定图像质量重要因素。f=v*D/V或f =h*D/H。其中,f代表焦距,v代表CCD成像尺寸的高度,V代表被观测物体高度,h代表CCD成像尺寸的宽度,H代表被观测物体宽度,D代表物体到镜头的距离。假设用1/3" CCD摄像头观测,被测物体宽500毫米,高400毫米,镜头焦点距物体5000毫米。由公式可以算出:焦距f=4.8×5000/500≈48毫米或焦距f=3.6×5000/400≈45毫米。

CCD尺寸表
规格
1/4 3.6 2.4
1/3 4.8 3.6
1/2 6.4 4.8
2/3 8.8 6.6
3/4 9.6 6.6
1 12.7 9.6

  提示:一体机镜头倍数的计算:倍数=f最大值/f最小值

  例如:22倍=85.8/3.9    27倍=94.5/3.5

  镜头焦距和最佳照射距离:

  例如,假设用1/3" CCD摄像头观测,被测物体宽7.2米(十个成年男人的宽度,标准最佳照射宽度),高5.4米(一个成年男人显现占屏幕的1/3的高度,标准最佳照射高度),镜头焦点距物体30米。由公式可以算出:焦距f=4.8(1/3"CCD宽度尺寸)×30/7.2=20mm或焦距f=3.6(1/3"CCD高度尺寸)×30/5.4=20mm。

  镜头焦距:2.8mm、3.5mm、4mm、4.8mm、6mm、8mm、12mm、16mm、25mm、60mm、73.8mm

  物体距离:4.3m、5.4m、6m、7.3m、9m、12m、18m、25m、38m、120m、150m

  镜头使用场所及角度:

  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;如2.8MM2.5MM

  2、视角在60度以上用于5*5米左右场所 3.6MM4MM

  3、视角在50度以上用于8-10米左右场所 6MM

  4、视角在40度以上用于10-18米左右场所 8MM

  5、视角在30度以上用于20-30米左右场所12MM16MM

  6、视角在20度以上用于30-50米左右场所25MM

  7、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

  8、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;

  9、针孔镜头:用于隐蔽监控。

  镜头越小,监控的面积越大,而图像物体相对较小。镜头越大,监控的面积越小(窄),而图像物体相对较大。

  可以简单的计算方法:可视距离÷2就相等于所需镜头,再参考视角。

 

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