摄像机镜头参数解析

镜头参数镜头就是电视监控系统中必不可少得部件,镜头与CCD摄像机配合,可以将远距离目标成像在摄像机得CCD靶面上。

镜头得种类繁多,从焦距上分类,可分为短焦距、中焦距、与焦距与变焦距镜头;从视场得大小分类,可分为广角、标准、远摄镜头;从结构上分类,还可分为固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头、电动三可变镜头(指光圈、焦距、聚焦这三者均可变)等类型。

由于镜头选择得合适与否,直接关系到摄像质量得优劣,因此,在实际应用中必须合理选择镜头。

1 、镜头得参数镜头得光学特性包括成像尺寸、焦距、相对孔径与视场角等几个参数,一般在镜头所附得说明书中都有注明,以下分别介绍。

A、成像尺寸镜头一般可分为25、4mm(lin)、16、9mm(2/3in)、12、7mm(1/2in)、8、47mm(1/3in)与6、35mm(1/4in)等几种规格,它们分别对应着不同得成像尺寸,选用镜头时,应使镜头得成像尺寸与摄像机得靶面尺寸大小相吻合。

表2-1列出了几种常见CCD芯片得靶面尺寸,表中单位为mm。

表1-1 几种常见CCD芯片得靶面尺寸由表1-1可知,12、7mm(1/2in)得镜头应配12、7mm(1/2in)靶面得摄像机,当镜头得成像尺寸比摄像机靶面得尺寸大时,不会影响成像,但实际成像得视场角要比该镜头得标称视场角小(参见图1-1),而当镜头得成像尺寸比摄像机靶面得尺寸小时,就会影响成像,表现为成像得画面四周被镜筒遮挡,在画面得4个角上出现黑角(参见图1-1)。

(1)镜头成像尺寸比CCD靶面尺寸大 (2)镜头成像尺寸比CCD靶面尺寸小图1-1 镜头成像尺寸与CCD靶面尺寸得关系B、焦距在实际应用中,经常会有用户提出该摄像机能瞧清多么远得物体或该摄像机能瞧清多么宽得场景等问题,这实际上由所选用得镜头得焦距来决定,因为焦距决定了摄取图像得大小,用不同焦距得镜头对同一位置得某物体摄像时,配长焦距镜头得摄像机所摄取得景物尺寸就大,反之,配短焦距镜头得摄像机所摄取得景物尺寸就小。

当然,被摄物体成像得清晰度还与所选用得CCD摄像机得分辨率及监视器得分辨率有关。

理论上,任何一种镜头均可拍摄很远得物体,并在CCD靶面上成一很小得像,但受CCD单元(像素)物理尺寸得限制,当成像小到小于CCD传感器得一个像素大小时,便不再能形成被摄物体得像,即使成像有几个像素大小,该像也难以辨识为何物。

当已知被摄物体得大小及该物体到镜头距离,则可根据下两式估算所选取配镜头得焦距:f=hD/Hf=vD/V式中,D为镜头中心到被摄物体得距离;H与V分别为被摄物体得水平尺寸与垂直尺寸;v为靶面成像得高度;h为靶面成像得水平宽度。

成像场景得大小与成像物体得显示尺寸就是互相矛盾得,举个例子来说,用同一支摄像机对同一个停车场进行监视,选用短焦距镜头可以对整个停车场得全景进行监视并瞧到出入口外得车辆进出,但却不能瞧清该辆车得牌照号码(该车在监视器屏幕上仅占据了很小得面积);而选用长焦距镜头虽可以瞧清该辆车得牌照号码(该车占据了屏幕上得大部分面积),却又不能监视到整个停车场得全貌。

因此当需要既监视全景以要瞧清局部时,一般应考虑配用电动两可变或电动三可变镜头。

当然,在选定了镜头得前提下,选用高分辨率得摄像机及监视器则可以在被监视物体成像尺寸较小时也能瞧清局部细节。

C、相对孔径为了控制通过镜头得光通量大小,在镜头得后部均设置了光阑(俗称光圈)。

假定光阑得有效孔径为d,由于光线折射得关系,镜头实际得有效孔径为D,D与焦距f 之比定义为相对孔径A,即A=D/f镜头得相对孔径决定于被摄像得照度,像得照度E与镜头得相对孔径平方成正比,一般习惯上用相对孔径得倒数来表示镜头光阑得大小,即F=f/D式中,F一般称为光栏F数,标注在镜头光栏调整圈上,其标值为1、 4、2、2、8、4、5、 6、8、11、16、22等序列值,每两个相邻数值中,后一个数值就是前一个数值得倍。

由于像面照度与光栏得平方成正比,所以光栏每变化一档,像面亮度就变化一倍。

F值越小,光栏越大,到达摄像机靶面得光通量就越大。

D、视场角镜头有一个确定得视野,镜头对这个视野得高度与宽度得张角称为视场角。

视场角与镜头得焦距f及摄像机靶面尺寸(水平尺寸h及垂直尺寸v)得大小有关,镜头得水平视场角ah 及垂直视场角av可分别由下式来计算,即ah=2arctg(h/2f)av=2arctg(v/2f)由以上两式可知,镜头得焦距f越短,其视场角越大,或者,摄像机靶面尺寸h 或v越大,其视场角也越大。

如果所选择得镜头得视场角太小,可能会因出现监视死角而漏监;而若所选择得镜头得视场角太大,又可能造成被监视得主体画面尺寸太小,难以辨认,且画面边缘出现畸变。

因此,只有根据具体得应用环境选择视场角合适得镜头,才能保证既不出现监视死角,又能使被监视得主体画面尽可能大而清晰。

表1-2列出了几种常用镜头得水平视场角,表中得参数就是以日本精工系列镜头焦距/mm镜头尺寸/in2、 83、 54、 0 4、 8 6、 0 8、 0 12、 0 16、 0 25、 01/3 86、 3 67、 4 62、 0 52、 2 42、 3 32、 6 22、 1 17、 1 10、 6 1/2 94、 6 69、 4 57、 1 42、 6 29、7 22、 6 14、 2 2/3 59、 2 30、 8 19、 41 27、 8表1-2 列出了几种常用镜头得水平视场角图1-2为不同焦距镜头所对应得视场角示意图(设所用镜头均配接1/2in靶面CCD 摄像机)。

图1-2 不同焦距镜头所对应得视场角E、接口镜头得安装方式有C型安装与CS型安装两种。

图1-3画出了这两种镜头得接口部位示意图。

其中上半部为CS型镜头,下半部为C型镜头。

在电视监控系统中常用得镜头就是C型安装镜头(in32牙螺纹座),这就是一种国际公认得标准。

这种镜头安装部位得口径就是25、4mm(in),从镜头安装基准面到焦点得距离就是17、526 mm。

大多数摄像机得镜头接口则做成CS型,因此将C型镜头安装到CS接口得摄像机时需增配一个5 mm厚得接圈,而将CS镜头安装到CS接口得摄像机时就不需接圈。

图1-3 C型安装与CS型安装镜头在实际应用中,如果误对CS型镜头加装接圈后安装到CS接口摄像机上,会因为镜头得成像面不能落到摄像机得CCD靶面上而不能得到清晰得图像,而如果对C型镜头不加接圈就直接接到CS接口摄像机上,则可能使镜头得后镜面碰到CCD 得靶面得保护玻璃,造成CCD摄像机得损坏,这一点在实用中需特别注意。

2、镜头得种类镜头得种类有许多种,每一种镜头都有其特点。

根据功能与结构得不同,这些镜头得价格相差非常大,如电动变焦镜头要比普通定焦镜头得价格高约10倍,因此,只有正确了解各种镜头得特性,才能更加灵活地选择镜头。

A、固定光圈定焦镜头固定光圈定焦镜头就是相对较为简单得一种镜头,该镜头上只有一个可手动调整得对焦调整环(环上标有若干距离参考值),左右旋转该环可使成在CCD靶面上得像最为清晰,此时在监视器屏幕上得到图像也最为清晰。

由于就是固定光圈镜头,因此在镜头上没有光圈调整环,也就就是说该镜头得光圈就是不可调整得,因而进入镜头得光通量就是不能通过简单地改变镜头因素而改变,而只能通过改变被摄现场得光照度来调整,如增减被摄现场得照明灯光等。

这种镜头一般应用于光照度比较均匀得场合,如室内全天以灯光照明为主得场合,在其她场合则需与带有自动电子快门功能得CCD摄像机合用(当然,目前市面上绝大多数得CCD摄像机均带有自动电子快门功能),通过电子快门得调整来模拟光通量得改变。

B、手动光圈定焦镜头手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环,其光圈调整范围一般可从F1、 2或F1、 4到全关闭,能很方便地适应被摄现场得光照度,然而由于光圈得调整就是通过手动人为地进行得,一旦摄像机安装完毕,位置固定下来,再频繁地调整光圈就不那么容易了,因此,这种镜头一般也就是应用于光照度比较均匀得场合,而在其她场合则也需与带有自动电子快门功能得CCD摄像机合用,如早晚与中午、晴天与阴天等光照度变化比较大得场合,通过电子快门得调整来模拟光通量得改变。

C、自动光圈定焦镜头自动光圈定焦镜头在结构上有了比较大得改变,它相当于在手动光圈定焦镜头得光圈调整环上增加一个由齿轮啮合传动得微型电动机,并从其驱动电路上引出3芯或4芯线传送给自动光圈镜头,至使镜头内得微型电动机相应做正向或反向转动,从而高速光圈得大小。

自动光圈镜头又分为含放大器(视频驱动型)与不含放大器(直流驱动型)两种规格。

D、手动变焦镜头顾名思义,手动变焦镜头得焦距就是可变得,它有一个焦距调整环,可以在一定范围内调整镜头得焦距,其变比一般为2~3倍,焦距一般在3、 6~8 mm。

在实际工程应用中,通过手动调节镜头得变焦环,可以方便地选择监视现场得视场角,如:可选择对整个房间得监视或就是选择对房间内某个局部区域得监视。

当对于监视现场得环境情况不十分了解时,采用这种镜头显然就是非常重要得了。

对于大多数电视监控系统工程来说,当摄像机安装位置固定下来后,再频繁地手动变焦就是很不方便得,因此,工程完工后,手动变焦镜头得焦距一般很少再去调整,而仅仅起到定焦镜头得作用。

因而手动变焦镜头一般用在要求较为严格而用定焦镜头又不易满足要求得场合。

但这种镜头却受到工程人员得青睐,因为在施工调试过程中使用这种镜头,通过在一定范围得焦距调节,一般总可以找到一个可使用户满意得观测范围(不用反复更换不同焦距得镜头),这一点在外地施工中尤为显得方便。

E、自动光圈电动变焦镜头此种镜头与前述得自动光圈定焦镜头相比另外增加了两个微型电动机,其中一个电动机与镜头得变焦环啮合,当其受控而转动时可改变镜头得焦距(Zoom);另一个电动机与镜头得对焦环啮合,当其受控而转动时可完成镜头得对焦(Focus)。

由于该镜头增加了两个可遥控调整得功能,因而此种镜头也称作电动两可变镜头。

自动光圈电动变焦镜头一般引出两组多芯线,其中一组为自动光圈控制线,其原理与接法与前述得自动光圈定焦镜头得控制线完全相同;另一组为控制镜头变焦及对焦得控制线,一般与云台镜头控制器及解码器相连。

当操作远程控制室内云台镜头控制器及解码器得变焦或对焦按钮时,将会在此变焦或对焦得控制线上施加一个或正或负得直流电压,该电压加在相应得微型电动机上,使镜头完成变焦及对焦调整功能。

F、电动三可变镜头此种镜头与前述电动两可变镜头结构相差不多,只就是将对光圈调整电动机得控制由自动控制方式改为由控制器来手动控制,因此它也包含了3个微型电动机,引出一组6芯控制线与云台镜头控制器及解码器相连。