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摄像机镜头知识

2011-08-02  兰陵书宛
本文介绍监控系统摄像机镜头的基础知识和所涉及到的一些注意事项,帮助大家快速成为一个镜头行家。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。
    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。
    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、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1.2、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,一般默认为水平方向视角。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。

二、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。

三、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。

四、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。

五、CCTV中的特殊镜头
    在特殊的CCTV安全镜头族群中,值得一提的品种包括光纤镜头、管道镜头、分像镜头、拐角镜头、中继镜头、自动聚焦镜头、安定镜头和长程镜头。这些镜头各有所长,可以实现普通镜头所无法完成的特殊功能。
㈠光纤镜头和管道镜头
    设计难度较大的监控系统中往往需要使用粘连光纤束镜头。与通常用于视频信号传输的单模光纤和多模光纤不同,这种光纤束是由上千根单独的玻璃光纤粘连在一起组成的。它可以将物镜得到的光学图像传输到十几厘米到几米远的地方。中继镜头从光纤束处理到图像后,再将其传送到摄像机的传感器上。通过光纤镜头取得的画面,其质量不如通过普通镜头取得的画面好。因此,这种镜头只能用在普通镜头无法解决问题的场合。光纤镜头分为刚性和柔性两种。 高分辨率(450线)的粘连光纤束中有几万根玻璃纤维,光学图像就是通过这些纤维从一端传输到另一段,每根光纤在光纤束两端的几何阵列中所处的位置完全相同。完整的“光纤镜头”除了包括这个光纤束外,还需要在前面加装成像用的物镜,在后端加装传递图像用的中继镜头(以便图像会聚到传感器上)。
    光纤镜头通常用于穿过厚墙对隔壁房间的监视,有时也用在必须将摄像机与镜头分开一端距离的场合。
    另一种常用的长距离采光镜头是管道(borescope)镜头。管道镜头由直径为0.04~0.5英寸、长6~30英寸的通光管、杆状镜头和多联式中继镜头共同组成。中间的镜头用于将物镜形成的光学图像传送给后面的镜头,进而传送到摄像机传感器上。单杆镜头使用的是独特的GRIN(graded index,渐变折射率)玻璃杆,光学图像在通过它之间能够重新聚焦。由于杆和镜头的直径都很小,只有少量的光线能透入摄像机内部,因此这种系统的光学速度较慢,通常为f/11和f/30。这一特性使得管道镜头只能与光线充足的场景和高灵敏度的摄像机配用。因为管道镜头中使用的都是玻璃透镜,它的图像质量比光纤镜头要好一些。
㈡分像镜头
    能够将两个单独场景同时成像的同一摄像机上的镜头称作分像镜头或双焦镜头。这种镜头使用两个分开的透镜或双焦镜头。这种镜头使用两个分开的透镜获取两个场景的图像后,再将其投射到摄像机的传感器上,其中的两个透镜焦距可能相同,也可能不同;可能朝向同一方向,也可能朝向不同的方向。
    分像镜头的转接器可以起到同样的作用。除了用于连接摄像机的接口外,转接器上还有两个C型接口或CS接口,可以连接两个普通镜头,从而实现“一机两景”。根据双焦镜头设计的不同,最后得到的双景图像可以是左右分割的,也可以是上下分割的。所以定焦镜头、变焦镜头、针孔镜头或其它镜头,只要其接口是C型或CS型的,就都可以用到这种转换器上。侧镜位置安装的可调式反射镜可以改变镜头观察的方向。在侧镜旁边再加装一只反射镜,就可以让两中镜头对准同一场景。在这种情况下,如果前镜使用广角镜头(6.5mm),侧镜使用狭角镜头(75mm),就构成一个双焦镜头,与之相连的摄像机可以同时看到同一场景的广角和狭角的图像。在左右分割时,每个镜头的水平视场都变为正常情况下的1/2(每个镜头只能使用传感器的一半宽度)。将分像镜头旋转90°,可以得到上下分割的图像。双焦镜头在监视器上形成的图像是倒转的,因此需要将摄像机倒转过来安装。
    三向光学分像镜头可以同时观察三个不同的场景。三分镜头主要用于观察丁字型走廊,但是也可以作其它用途。使用三分镜头,可以同时观察三个不同的场景(放大倍数可以相同,也可以不同),而这三个场景是显示在同一监视器上。这样,我们就节省了两只摄像机、两台监视器和一只画面分割器。每个场景占据在监视器屏幕的1/3面积。镜头上的可调光学器件允许分别调节三个物镜的仰角,以适用长短不同的走廊需要(长走廊镜头接近水平,短走廊需要镜头略微冲下)。与双分镜头一样,摄像机也要倒转安装。
㈢拐角镜头
    拐角镜头使得摄像机可以做贴墙式的安装,即摄像机与轴线与墙面相平行。
    在墙壁后面的空间比较有限的场合,像柜员机、天花板或升降机内,拐角镜头将会是一个很好的解决方案。拐角光学镜头使得2.6mm镜头的轴线变得与摄像机的轴线相垂直,因为2.6mm镜头的视场可以达到110°,所以使用反光镜来解决这个问题将是不可能的。因为平面反射镜无法将全部场景反射到摄像机镜头上。这种黑边(vignitting)现象将使得我们无法在监视器上看到场景的部分边缘。
    拐角转接器可以套接所有焦距的镜头,但镜头必须带有C型或CS型的接口。
㈣中继镜头
    中继镜头用来将镜头或粘连光纤束聚焦的光学图像传送到摄像机传感器上。
这种镜头必须与其它物镜一起使用,其自身不能成像。在与光纤镜头配用时,它将光纤束输出端上面的图像投射到传感器上。与分像镜头或拐角镜头配用时,它也可以将双景图像或改向的图像投射到传感器上。中继镜头可以被看作是一个没有放大倍数的附加镜头,在与普通镜头配用时,它的主要作用是使得镜头和传感器之间的距离适当增大。
㈤自动聚焦镜头
    自动聚焦镜头在安全方面的应用相当有限,这是因为它的价格比普通的手动调焦镜头要昂贵。自动聚焦镜头主要用于便携式家用摄录机。这种机器所使用的镜头都是变焦镜头。
自动聚焦技术共有三种:主动红外测距、超声波定位和固态三角测量。
    主动红外自动聚焦使用的是三角测量原理。镜头中有一个发光二极管,可以向变焦镜头场景中心区域发射一小束红外线。接收透镜将反射回来的红外光投射到镜头旁的两个硅探头上。镜头内的微处理器电路再根据镜头聚焦环的物理位置和CCD传感器上得来的数据计算出目标与摄像机之间的距离。之后,微处理器电路会控制变焦镜头上的电动聚焦环,使中心目标清晰地聚焦在传感器上。
    自动聚焦镜头不能适用于所有的工作场合。如果目标不反射红外光,或目标将所有红外光都反射到了其它方向,从而致使摄像机接收不到回光,或目标超出了系统的工作范围,都将无法触发系统的自动聚焦功能。


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