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鏡頭的選擇和主要參數


     攝影機鏡頭是視頻監視系統的最關鍵設備,它的品質(指標)優劣直接影響攝影機的整機指標,因此,攝影機鏡頭的選擇是否恰當既關係到系統品質,又關係到工程造價。    

     鏡頭相當於人眼的晶狀體,如果沒有晶狀體,人眼看不到任何物體;如果沒有鏡頭,那麼攝像機所輸出的圖像就是白茫茫的一片,沒有清晰的圖像輸出,這與我們家用攝影機和照相機的原理是一致的。當人眼的肌肉無法將晶狀體拉伸至正常位置時,也就是人們常說的近視眼,眼前的景物就變得模糊不清;攝像機與鏡頭的配合也有類似現像,當圖像變得不清楚時,可以調整攝像機的後焦點,改變CCD晶片與鏡頭基準面的距離(相當於調整人眼晶狀體的位置),可以將模糊的圖像變得清晰。

     由此可見,鏡頭在閉路監控系統中的作用是非常重要的。工程設計人員和施工人員都要經常與鏡頭打交道:設計人員要根據物距、成像大小計算鏡頭焦距,施工人員經常進行現場調試,其中一部分就是把鏡頭調整到最佳狀態。

1、鏡頭的分類

(1)以鏡頭安裝分類

     所有的攝影機鏡頭均是螺紋口的,CCD攝影機的鏡頭安裝有兩種工業標準,即C安裝座和CS安裝座。兩者螺紋部分相同,但兩者從鏡頭到感光表面的距離不同。

     C安裝座:從鏡頭安裝基準面到焦點的距離是17.526mm

     CS安裝座:特種C安裝,此時應將攝影機前部的墊圈取下再安裝鏡頭。其鏡頭安裝基準面到焦點的距離是12.5mm。如果要將一個C安裝座鏡頭安裝到一個CS安裝座攝影機上時,則需要使用鏡頭轉換器。

(2)以攝影機鏡頭規格分類

     攝影機鏡頭規格應視攝影機的CCD尺寸而定,兩者應相對應。即

     攝影機的CCD靶面大小為1/2英寸時,鏡頭應選1/2英寸。

     攝影機的CCD靶面大小為1/3英寸時,鏡頭應選1/3英寸。

     攝影機的CCD靶面大小為1/4英寸時,鏡頭應選1/4英寸。

     如果鏡頭尺寸與攝影機CCD靶面尺寸不一致時,觀察角度將不符合設計要求,或者發生畫面在焦點以外等問題。

(3)以鏡頭光圈分類

     鏡頭有手動光圈(manual iris)和自動光圈(auto iris)之分,配合攝影機使用,手動光圈鏡頭適合於亮度不變的應用場合,自動光圈鏡頭因亮度變更時其光圈亦作自動調整,故適用亮度變化的場合。自動光圈鏡頭有兩類:一類是將一個視頻信號及電源從攝影機輸送到透鏡來控制鏡頭上的光圈,稱為視頻輸入型,另一類則利用攝影機上的直流電壓來直接控制光圈,稱為DC輸入型。

     自動光圈鏡頭上的ALC(自動鏡頭控制)調整用於設定測光系統,可以整個畫面的平均亮度,也可以畫面中最亮部分(峰值)來設定基準信號強度,供給自動光圈調整使用。一般而言,ALC已在出廠時經過設定,可不作調整,但是對於拍攝景物中包含有一個亮度極高的目標時,明亮目標物之影像可能會造成“白電平削波”現像,而使得全部螢幕變成白色,此時可以調節ALC來變換畫面。

     另外,自動光圈鏡頭裝有光圈環,轉動光圈環時,通過鏡頭的光通量會發生變化,光通量即光圈,一般用F表示,其取值為鏡頭焦距與鏡頭通光口徑之比,即:F=f(焦距)/D(鏡頭實際有效口徑),F值越小,則光圈越大。

     採用自動光圈鏡頭,對於下列應用情況是理想的選擇,它們是:

     在諸如太陽光直射等非常亮的情況下,用自動光圈鏡頭可有較寬的動態範圍。

     要求在整個視野有良好的聚焦時,用自動光圈鏡頭有比固定光圈鏡頭更大的景深。

     要求在亮光上因光信號導致的模糊最小時,應使用自動光圈鏡頭。

(4)以鏡頭的視場大小分類

     標準鏡頭:視角30度左右,在1/2英寸CCD攝影機中,標準鏡頭焦距定為12mm,在1/3英寸CCD攝影機中,標準鏡頭焦距定為8mm

     廣角鏡頭:視角90度以上,焦距可小於幾毫米,可提供較寬廣的視景。

     遠攝鏡頭:視角20度以內,焦距可達幾米甚至幾十米,此鏡頭可在遠距離情況下將拍攝的物體影響放大,但使觀察範圍變小。

     變倍鏡頭zoom lens):也稱為伸縮鏡頭,有手動變倍鏡頭和電動變倍鏡頭兩類。

     可變焦點鏡頭vari-focus lens):它介於標準鏡頭與廣角鏡頭之間,焦距連續可變,即可將遠距離物體放大,同時又可提供一個寬廣視景,使監視範圍增加。變焦鏡頭可通過設置自動聚焦於最小焦距和最大焦距兩個位置,但是從最小焦距到最大焦距之間的聚焦,則需通過手動聚焦實現。

     針孔鏡頭:鏡頭直徑幾毫米,可隱蔽安裝。

(5)從鏡頭焦距上分

     短焦距鏡頭:因入射角較寬,可提供一個較寬廣的視野。

     中焦距鏡頭:標準鏡頭,焦距的長度視CCD的尺寸而定。

     長焦距鏡頭:因入射角較狹窄,故僅能提供狹窄視景,適用於長距離監視。

     變焦距鏡頭:通常為電動式,可作廣角、標準或遠望等鏡頭使用。

2、選擇鏡頭的技術依據

(1)鏡頭的成像尺寸

     應與攝影機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英寸等規格。

(2)鏡頭的解析度

     描述鏡頭成像品質的內在指標是鏡頭的光學傳遞函數與畸變,但對擁護而言,需要瞭解的僅僅是鏡頭的空間解析度,以每毫米能夠分辨的黑白條紋數為計量單位,計算公式為:鏡頭解析度N=180/畫幅格式的高度。由於攝影機CCD靶面大小已經標準化,如1/2英寸攝影機,其靶面為寬6.4mm*高4.8mm,1/3英寸攝影機為寬4.8mm*高3.6mm。因此對1/2英寸格式的CCD靶面,鏡頭的最低解析度應為38對線/mm,對1/3英寸格式攝影機,鏡頭的解析度應大於50對線,攝影機的靶面越小,對鏡頭的解析度越高。

(3)鏡頭焦距與視野角度

     首先根據攝影機到被監控目標的距離,選擇鏡頭的焦距,鏡頭焦距f確定後,則由攝影機靶面決定了視野。

(4)光圈或通光量

     鏡頭的通光量以鏡頭的焦距和通光孔徑的比值來衡量,以F為標記,每個鏡頭上均標有其最大的F值,通光量與F值的平方成反比關係,F值越小,則光圈越大。所以應根據被監控部分的光線變化程度來選擇用手動光圈還是用自動光圈鏡頭。

3、變焦鏡頭(zoom lens

     變焦鏡頭有手動伸縮鏡頭和自動伸縮鏡頭兩大類。伸縮鏡頭由於在一個鏡頭內能夠使鏡頭焦距在一定範圍內變化,因此可以使被監控的目標放大或縮小,所以也常被成為變倍鏡頭。典型的光學放大規格有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)等檔次,並以電動伸縮鏡頭應用最普遍。為增大放大倍數,除光學放大外還可施以電子數碼放大。在電動伸縮鏡頭中,光圈的調整有三種,即:自動光圈、直流驅動自動光圈、電動調整光圈。其聚焦和變倍的調整,則只有電動調整和預置兩種,電動調整是由鏡頭內的馬達驅動,而預置則是通過鏡頭內的電位計預先設置調整停止位,這樣可以免除成像必須逐次調整的過程,可精確與快速定位。在球形罩一體化攝像系統中,大部分採用帶預置位的伸縮鏡頭。

     另一項令用戶感興趣的則是快速聚焦功能,它由測焦系統與電動變焦回饋控制系統構成。

4、鏡頭與攝影機CCD尺寸的關係

1/2”鏡頭既可用於1/2”攝影機,也可用於1/3”攝影機,但視角會減少25%左右。

1/3”鏡頭不能用於1/2”攝影機,只能用於1/3”攝影機。

5、不同種類鏡頭的應用範圍

· 手動、自動光圈鏡頭的應用範圍 手動光圈鏡頭是的最簡單的鏡頭,適用於光照條件相對穩定的條件下,手動光圈由數片金屬薄片構成。光通量靠鏡頭外徑上的一個環調節。旋轉此圈可使光圈收小或放大。在照明條件變化大的環境中或不是用來監視某個固定目標,應採用自動光圈鏡頭,比如在戶外或人工照明經常開關的地方,自動光圈鏡頭的光圈的動作由馬達驅動,馬達受控於攝影機的視頻信號。手動光圈鏡頭和自動光圈鏡頭又有定焦距(光圈)鏡頭自動光圈鏡頭和電動變焦距鏡頭之分。

· 定焦距(光圈)鏡頭,一般與電子快門攝影機配套,適用於室內監視某個固定目標的場所作用。定焦距鏡頭一般又分為長焦距鏡頭,中焦距鏡頭和短焦距鏡頭。中焦距鏡頭是焦距與成像尺寸相近的鏡頭;焦距小於成像尺寸的稱為短距鏡頭,短焦距鏡頭又稱廣角鏡頭,該鏡頭的焦距通常是28mm以下的鏡頭,短焦距鏡頭主要用於環境照明條件差,監視範圍要求寬的場合,焦距大於成像尺寸的稱為長焦距鏡頭,長焦距鏡頭又稱望遠鏡頭,這類鏡頭的焦距一般在150mm以上,主要用於監視較遠處的景物。

· 手動光圈鏡頭,可與電子快門攝影機配套,在各種光線下均可使用。

· 自動光圈鏡頭,(EF)可與任何CCD攝影機配套,在各種光線下均可使用,特別用於被監視表面亮度變化大、範圍較大的場所。為了避免引起光暈現像和燒壞靶面,一般都配自動光圈鏡頭。

· 電動變焦距鏡頭,可與任何CCD攝影機配套,在各種光線下均可使用,變焦距鏡頭是通過遙控裝置來進行光對焦,光圈開度,改變焦距大小的。

6、鏡頭的主要性能指標有以下幾個

· 1 焦距:焦距的大小決定著視場角的大小,焦距數值小,視場角大,所觀察的範圍也大,但距離遠的物體分辨不很清楚;焦距數值大,視場角小,觀察範圍小,只要焦距選擇合適,即便距離很遠的物體也可以看得清清楚楚。由於焦距和視場角是一一對應的,一個確定的焦距就意味著一個確定的視場角,所以在選擇鏡頭焦距時,應該充分考慮是觀測細節重要,還是有一個大的觀測範圍重要,如果要看細節,就選擇長焦距鏡頭;如果看近距離大場面,就選擇小焦距的廣角鏡頭。

· 2 光闌係數:即光通量,用F表示,以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來衡量。每個鏡頭上都標有最大F值,例如6mm/F1.4代表最大孔徑為4.29毫米。光通量與F值的平方成反比關係,F值越小,光通量越大。鏡頭上光圈指數序列的標值為1.422.845.68111622等,其規律是前一個標值時的曝光量正好是後一個標值對應曝光量的2倍。也就是說鏡頭的通光孔徑分別是1/1.41/21/2.81/41/5.61/81/111/161/22,前一數值是後一數值的根號2倍,因此光圈指數越小,則通光孔徑越大,成像靶面上的照度也就越大。另外鏡頭的光圈還有手動(MANUAL IRIS)和自動光圈(AUTO IRIS)之分。配合攝像機使用,手動光圈適合亮度變化不大的場合,它的進光量通過鏡頭上的光圈環調節,一次性調整合適為止。自動光圈鏡頭會隨著光線的變化而自動調整,用於室外、入口等光線變化大且頻繁的場合。

· 3 自動光圈鏡頭:自動光圈鏡頭目前分為兩類:一類稱為視頻(VIDEO)驅動型,鏡頭本身包含放大器電路,用以將攝像機傳來的視頻幅度信號轉換成對光圈馬達的控制。另一類稱為直流(DC)驅動型,利用攝像機上的直流電壓來直接控制光圈。這種鏡頭只包含電流計式光圈馬達,要求攝像機內有放大器電路。對於各類自動光圈鏡頭,通常還有兩項可調整旋鈕,一是ALC調節(測光調節),有以峰值測光和根據目標發光條件平均測光兩種選擇,一般取平均測光檔;另一個是LEVEL調節(靈敏度),可將輸出圖像變得明亮或者暗淡。

· 4 變倍鏡頭:變倍鏡頭分為手動(MANUAL ZOOM LENS)和電動(AUTO ZOOM LENS)兩種,手動變倍鏡頭一般用於科研專案而不用在閉路監視系統中。在監控很大的場面時,攝像機通常要配合電動鏡頭和雲台使用。電動鏡頭的好處是變焦範圍大,既可以看大範圍的情況,也可以聚焦某個細節,再加上雲台可以上下左右的轉動,可視範圍就非常大了。電動鏡頭有6倍、10倍、15倍、20倍等多種倍率,如果再知道基準焦距,就可以確定鏡頭焦距的可變範圍。例如一個6倍電動鏡頭,基準焦距為8.5毫米,那麼其變焦範圍就是8.551毫米連續可調,視場角為31.35.5度。電動鏡頭的控制電壓一般是直流8V~16V,最大電流為30毫安培。所以在選控制器時,要充分考慮傳輸線纜長度,如果距離太遠,線路產生的電壓下降會導致鏡頭無法控制,必須提高輸入控制電壓或更換視頻矩陣主機配合解碼器控制。

7、焦距的計算

1公式計算法
     視場和焦距的計算 視場系指被攝取物體的大小,視場的大小是以鏡頭至被攝取物體距離,鏡頭焦頭及所要求的成像大小確定的。

1、鏡頭的焦距,視場大小及鏡頭到被攝取物體的距離的計算如下;

f=wL/W 2f=hL/h

f;鏡頭焦距 w:圖像的寬度(被攝物體在ccd靶面上成像寬度)

W:被攝物體寬度

L:被攝物體至鏡頭的距離

h:圖像高度(被攝物體在ccd靶面上成像高度)視場(攝取場景)高度

H:被攝物體的高度

     由於攝影機畫面寬度和高度與電視接收機畫面寬度和高度一樣,其比例均為4:3,L不變,HW增大時,f變小,當HW不變,L增大時,f增大。

2視場角的計算

如果知道了水準或垂直視場角便可按公式計算出現場寬度和高度。 水平視場角β(水準觀看的角度) β=2tg-1= 垂直視場角q(垂直觀看的角度) q=2tg-1= 式中wHf同上 水平視場角與垂直視場角的關係如下: q==q 2中列出了不同尺寸攝像層和不同焦距f時的水平視場角b的值,如果知道了水準或垂直場角便可按下式計算出視場角便可按下式計算出視場高度H和視場寬度W. H=2LtgW=2Ltg 例如;攝影機的攝像管為17mm(2/3in),鏡頭焦距f12mm,從表2中查得水平視場角為40℃而鏡頭與被攝取物體的距離為2m,試求視場的寬度w W=2Ltg=2×2tg=1.46m H=W=×1.46=1.059m 焦距f越和長,視場角越小,監視的目標也就小。

圖解法

 如前所示,攝影機鏡頭的視場由寬(W)。高(H)和與攝影機的距離(L)決定,一旦決定了攝影機要監視的景物,正確地選擇鏡頭的焦距就由來3個因素決定; *.欲監視景物的尺寸 *.攝影機與景物的距離 *.攝影機成像器的尺士:1/3"1/2"2/3"1"。 圖解選擇鏡頭步驟:所需的視場與鏡頭的焦距有一個簡單的關係。利用這個關係可選擇適當的鏡頭。 估計或實測視場的最大寬度;估計或實測量攝影機與被攝景物間的距離;使用1/3”鏡頭時使用圖2,使用1/2鏡頭時使用圖3,使用2/3”鏡頭時使用圖4,使用1鏡頭時使用圖5。具體方法:在以WL為座標軸的圖示2-5中,查出應選用的鏡頭焦距。為確保景物完全包含在視場之中,應選用座標交點上,面那條線指示的數值。例如:視場寬50m,距離40m,使用1/3"格式的鏡頭,在座標圖中的交點比代表4mm鏡頭的線偏上一點。這表明如果使用4mm鏡頭就不能覆蓋50m的視場。而用2.8mm的鏡頭則可以完全覆蓋視場。

f=vD/V f=hD/H

其中,f代表焦距,v代表CCD靶面垂直高度,V代表被觀測物體高度,h代表CCD靶面水準寬度,H代表被觀測物體寬度。

舉例:假設用1/2CCD攝像機觀測,被測物體寬440毫米,高330毫米,鏡頭焦點距物體2500毫米。由公式可以算出:

焦距f=6.4X2500/44036毫米 或

焦距f=4.8X2500/33036毫米

當焦距數值算出後,如果沒有對應焦距的鏡頭是很正常的,這時可以根據產品目錄選擇相近的型號,一般選擇比計算值小的,這樣視角還會大一些。
 
 

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