闭路监控电视(简称CCTV)系统镜头要点1.镜头的种类(根据应用场合分类)镜头的一个比较常见但又非常重要的应用，便是与社会安全息息相关的
安防监控镜头，即CloseCircuitTeleVisonLens简称CCTV镜头? 超广角镜头：视角在130以上，观察范围
非常大，畸变大。如倒车镜? 广角镜头：视角90度以上，观察范围较大，近处图像有变形。如f3.5mm镜头? 标准镜头：视角30度
左右，使用范围较广。如f6mm镜头? 长焦镜头：视角20度以内，焦距可达几十毫米或上百毫米。如f50mm镜头? 变焦镜头：镜
头焦距连续可变，焦距可以从广角变到长焦，焦距越长成像越大。? 针孔镜头：用于隐蔽观察，经常被安装在如天花板或墙壁等地方。光
栏在第一面? 红外镜头：夜间LED红外照明来监控物体，现大都白天晚上都可用，而且齐焦，像面没有漂移。2.被摄物体的大小、距离与
焦距的关系设被摄物体的高度和宽度分别为H、W，被摄物体与镜头间的距离为D，镜头的焦距为f。靶面成像的高度和宽度分别为h、w
，则计算公式如下：f=h×D/Hf=w×D/W?根据上述公式，也可以很容易地计算出视场角，靶面尺寸和成像大小对照表靶面规格1
"2/3"1/2"1/3"w12.8mm8.8mm6.4mm4.8mmh9.6mm6.6mm4.8mm3.6mm3.相对孔径为了控
制通过镜头的光通量的大小，在镜头的后部均设置了光圈。假定光圈的有效孔径为d，由于光线折射的关系，镜头实际的有效孔径为D，比
d大，D与焦距f之比定义为相对孔径A，即A=D/f，镜头的相对孔径决定被摄像的照度，像的照度与镜头的相对孔径的平方成正比
，一般习惯上用光圈数F来表示，F=f/D，即相对光径的倒数来表示镜头光圈的大小。F值越小，光圈孔径越大，到达CCD芯片的光
通量就越大。所以在焦距f相同的情况下，F值越小，表示镜头理想性能越好。?4.镜头的焦距1) 定焦距：焦距固定不变，可分
为有光圈和无光圈两种。?1.有光圈：镜头光圈的大小可以调节。根据环境光照的变化，应相应调节光圈的大小。光圈的大小可以通过手动或
自动调节。人为手工调节光圈的，称为手动光圈；镜头自带微型电机自动调整光圈的，称为自动光圈。无光圈：即定光圈，其通光量是固定
不变的。主要用光源稳定或有电子快门的情况。2.2) 变焦距：焦距可以根据需要进行调整，使被摄物体的图像放大或?缩小。变焦镜头
由于在一个镜头内能够使镜头焦距在一定范围内变化，因此可以使被监控的目标放大或缩小。典型的光学放大规格有诸如6～20倍等不同档次
，并以电动缩放镜头(ZoomLens)应用最普遍。按变焦镜头参数可调整的项目划分有：·三可变镜头——光圈、聚焦、焦距均需人为
调节。·二可变镜头——通常是自动光圈镜头，而聚焦和焦距需人为调节。·单可变镜头——一般是自动光圈和自动聚焦的镜头，而焦距需人为调节
。1.2.3.变焦镜头(VariFocalLens)是变焦镜头配合缩放镜头功能，焦距连续可变，可将远距离物体放大，又可提供
一个宽广视景，使监视宽度增加。?除传统的球面镜头外，新一代的是非球面镜头(AsphericalLens)，镜片研磨的形状
为抛物线、二次曲线、三次曲线或高次曲线，并且在设计时就考虑到了镜头的像差、色差、球差等校正因素，通常一片非球面镜片就能达到多
个球面镜片矫正像差的效果，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，镜头体积也相应缩小。非球面镜头具有变倍高、物距短、光圈大的特点。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，因此应用领域日渐宽广。日本AVENIA的非球面镜头Computar的镜头，腾龙镜
头等都有在运用。?5.镜头安装镜头的安装有C型和CS型两种，C型安装的镜头在CCD摄像机与镜头间多了5mm调整光圈值
的环。C卡口安装的摄像机可用CS型镜头，但CS卡口安装的摄像机不能使用C型镜头。?6.选配镜头原则为了获得预期的摄像效果，
在选配镜头时，应着重注意六个基本要素：A) 被摄物体的大小B) 被摄物体的细节尺寸C) 物距（A,B,C可看出物方视场角）D
) 焦距E) CCD摄像机靶面的尺寸（D，E像方视场角）F) 镜头及摄像系统的分辨率(成像质量）??????注释:当前，1／
3“镜头是应用的主流，自动光圈镜头销售量最多，变焦镜头是应用发展的趋势。水平视场角及垂直视场角与摄像机CCD靶面尺寸h及镜头
焦距f之间有如下关系：水平视场角=2arctan(h／2f)； 垂直视场角=2arctan(υ/2f)。变焦镜头：--焦平面的
位置固定，而光路可连续调节的光学系统。变焦是通过移动镜头内部的镜片组，改变它们之间的相对位置(变焦间隔）而实现的。这样就可
以在一定范围内改变镜头的焦距长度和视角。焦距：--透镜中心或其第二主面到焦点处的距离。单位一般为毫米或英寸。光栏：--位于摄像
机镜头内部的、可以调节的光学机械结构，也可用来控制通过镜头的光线的多少。自动光圈：--镜头内的机电装置，可根据电视摄像机传来的视频
信号自行调节，以适应光照强度的变化。自动光圈通过打开或关闭光栏来控制通过镜头传送的光能量????镜头有自动光圈(Auto
Iris)和手动光圈(ManualIris)自动光圈用于被照物光线变化较多场合，手动光圈用于被照物光线稳定之处。往往由于摄
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自动光圈镜头有二种驱动方式：?一类为视频输入型Videodri
ver(withAmp)，它将一个视频信号及电源从摄像机输送到镜头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，视频驱动自动光圈镜头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? 另一类称为DC输入型(DCdrivern
oAmp)，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。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。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，除了少数可以兼容二种模式的镜头以外，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。但当使用
时，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
本身的白平衡，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。8.CCTV镜头的设计1）CCTV
镜头按卡口来说，有M12x0.5的单板机镜头，其焦距为2.8mm,3.5mm,6mm,8mm,12mm,16mm几种，其相对孔径大
都为F1.6-2之间，其光学结构为4片反摄远结构，光焦度分配为-++-，最后两片为双胶合或者为假胶合，12mm，16m
m为三片Triplet型，这些镜头结构简单，成本低，市场量很大。具体光路图如下：2）C，CS卡口镜头，这种监控镜头比较正式，有这
种卡口可以叫做CCTV镜头。A:定焦镜头设计这种镜头卡口尺寸有要求,类似于传统135相机MD/PK卡口,C卡口12.5mm,C
S卡口为17.5mm,这样就对系统后工作距离有一定的要求,在设计的时候就要把它作为一个边界条件来控制，在选结构的形式的时候大都
采用反摄远结构。这种镜头的相对孔径都比较大一般为F1.2,现在甚至达到F1.0,在设计这种镜头的时候，比单板机镜头要复杂些，
难度要更大，一般采用5-6片,前组复杂化获得更大的市场角，后组复杂化以获得更大的相对孔径，和更长的工作距离。具体图例：B:变
焦镜头的设计CCTV的变焦镜头不是传统意义的变焦镜头，我们可以称为伪变焦，但这是指结构的特点，是指它不采用CAM的变焦结构，而
采用电子变焦方式。但其在光学上与普通的变焦镜头差不多，在不考虑光栏的情况下，一般是两可变，也就是有两个组元可以移动。低倍的
变焦时，其变焦组元为两组，这两组都参与变焦，其中最后一组兼做调焦，这种变焦镜头长短焦的相对孔径也是变化的。高倍的变焦镜头，
其光学变焦方式大都采用古典式变焦结构。即第一和第四组固定，第二组变焦，第三组调焦，这种变焦形式有4个组元，因此可以获得更大的变焦比
，可以达到20倍以上，为了结构和装配上更方便，现在大多采用其变形，第一第三组元固定，第二组变焦，第四组调焦。现在高变倍比的
镜头基本都采用玻璃非球面技术，可以获得更强的光学性能和更小巧的体积。9.一体机?现在CCTV镜头发展很快，一体机系统出现
，这种系统它不是传统意义上的镜头，没有卡口的说法，而是光机电结合在一起，相当于摄像镜头安装在摄像机上的结合体，但它结构
上是不可分拆的，镜头是不能单独取下来。设计时光机电可以通盘考虑，它可以把整个系统做到小型化。一体机，之所以产生，它有它自身的优
点，尤其在变焦比较大的时候，它的优点更加突出，我们知道，大变倍的镜头长焦的焦距通常都较长，整个镜头的光学总长都比较长，
再加上摄像机的长度，整个系统就显得特别庞大，因此这时候采用光机电一体化设计出来的系统与常规的系统相比，就显得特别小巧，体
积小重量轻，电子性能集成化高，可以轻松实现电子变焦，自动调焦等功能。缺点：镜头不可以互换，通用性较差.??10.红外监控镜
头?IR红外监控镜头，它与普通的监控镜头基本上是一样的，它的特点是这种镜头的相对孔径一般更大，同时在设计光路是考虑的波长范围
更宽，选用玻璃时其近红外波段光学透过率要高。其大多带红外辅助光源灯.(IR镜头=InfraredLenses)这种镜头的出
现是与现在大家还需要对目标进行24小时监控，由此相应产生了越来越多的日夜转换功能摄像机的需求,但大部分镜头成像画面在白天非常清
楚，到了晚上红外光条件下画面却变得模糊，因此晚上也能获得清晰成像变得很重要。要解决这个问题，IRCCTV镜头就出现了IR
镜头采用了新的光学设计方法以及特殊的光学玻璃材料等先进技术，消除了可见光和红外光的焦面偏移。因此从可见光区到红外光区的光线都可
以在同一个焦面位置成像，实现锐利的图象。其次，为了增加红外光区的透过率，该IR镜头采用了特殊的多层镀膜技术。另外IR手动变
焦镜头也使用了非球面镜片实现全域内的高解像度、高对比度。红外对应镜头的应用范围非常广泛，既可以做红外对应特殊用途，也可以用作普
通镜头。换而言之，依据使用场合不同，红外对应镜头可以与常规的彩色摄像机、黑白摄像机以及日夜转换摄像机灵活地配合使用。黑白摄
像机没有红外截止滤光片，但是日光的波谱中也含有红外光，所以即使在日光条件下，黑白摄像机的成像也会受到红外线的干扰。因此配用
红外对应镜头可以有效提高成像质量。目前在安防市场上的红外对应镜头的系列品种有IR手动变焦镜头（手动光圈、自动光圈）和IR定焦镜
头（手动光圈、自动光圈），并且还有1/3寸、1/2寸系列。被动红外监控镜头等，这里被动红外监控镜头就不多说了，和陈老师所从事的
研究方向是类似的。(被动红外镜头是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。探头收集外界的红外辐射通过聚集到红外感应源上面。红外
感应源通常采用热释电元件)????11. CCTV镜头与数码镜头的区别：监控镜头和数码镜头本质上是一样的，都是用CCD或CMO
S芯片作为感光成像元器件，但由于使用要求不一样，监控,数码镜头各自有自己一些特点1）系统区别：数码镜头成像要求高，它的芯片通常
都在500w像数以上，属于静态成像CCTV镜头成像要求较低，它的芯片通常都在50w像数以上，属于动态成像2）变形数码镜头对畸变
要求很严，光学畸变很小，电视畸变很小CCTV镜头对畸变较松，光学畸变很大，电视畸变很小3）光学性能要求与区别数码镜头通常相对
孔径较小，拍摄视场角也没有特别大的要求CCTV镜头通常相对孔径非常大，监控市场角非常大，大的有180度以上4）定焦结构形式区别
定焦数码镜头通常光阑在第一面，快门也在此CCTV镜头对光阑位置没有特别要求，如光阑在第一面，就成CCTV镜头中单独的一类，叫针孔镜
头5）变焦区别CCTV镜头通常有大变倍比的镜头数码镜头通常变焦比为3倍。??????12.非球面技术在监控镜头中的应用非
球面技术是目前比较热门的话题之一。其实非球面技术早在摄影物镜中就有广泛应用，引入到CCTV镜头中大约是10年前的事情。那么
什么是非球面？其实对于非球面镜片，如果用肉眼观察的话，通常看上去仍旧是一个大致的球面形状，而不是平面。因为非球面镜片的面形
就是在球面面形的基础上做细微的调整得出的，从数学的角度来说，球面的面形函数是一个二次函数，但非球面的面形函数则是四次甚至
更高次的函数，通常设计到10次，所以非球面的面形更加复杂。更加形象地说，非球面的面形是以球面面形为基础，在球面的基础
上进行人为控制，事先设计好的细微面形起伏，从而使镜片的面形呈现非球面的复杂曲面。非球面在各个孔径具有不同的光焦度。???人
们一般认为一束光线透过凸透镜后（最常见的球面镜片），可以聚集在一点上。例如很多人都曾用放大镜聚集阳光烧纸玩的经历。但是从光学
角度上来看，球面凸透镜并不能把光线真正聚集到一点上，它所聚成的其实是一个光斑。由于肉眼的视力有限，所以看上去好象是一点。
这是由于球面镜片有一个先天不足，它有一个称为“球面像差”的缺陷，而且通过单枚球面镜片自身是无法克服这种像差的，正是这种像
差的存在，所以带来了光斑现象。这种像差会极大地影响成像质量。但是非球面镜片可以把光线精确地汇聚到一点上，较正球面像差，大幅提高
成像质量。那么非球面镜片使用到镜头中之后，有什么具体优点呢？（1）非球面镜片的应用可以使镜头光学结构相对简化，从而在光学设计
和机械结构上更易获得更大的通光口径，使整个画面更加明亮。例如，腾龙的1/3‘f=3.0-8mmF/1.0的系列镜头，之
所以可以达到F/1.0，除了精湛的光学设计和制造工艺之外，非球面镜片的运用也是重要的因素。（2）非球面镜片可以大幅度提高成像
质量，令画面更加清晰，特别是边缘图像的清晰度。当非球面应用在主光线较高的面上时，它还可以矫正像散，畸变等轴外像差，从而使轴外成像也能得到大幅提高，这一点在实际使用时意义巨大，它使画面中每个细节都都能清晰地表现，避免有图像但是由于细节模糊而无法作为证据的无奈情况。（3）1枚非球面镜片可以替代一组球面镜片，所以使用非球面镜片可以实现镜头体积的小型化。例如腾龙的1/3‘f=5-50mmF/1.4系列镜头，其中使用了两枚非球面镜片，在实现体积小型化的情况下，还保证了成像的质量。非球面镜片在设计上借助成熟的光学软件并不困难，但是其生产加工却需要极高的技术和工艺。因此在CCTV镜头能够自己独立完成全部非球面镜片的开发与生产的厂商屈指可数，而非球面镜头的开发以及生产技术变成了一个企业的核心技术。????以上简单介绍下CCTV镜头的一些基本内容，大家有兴趣可以就其中的内容作进一步的探讨和交流。谢谢!广州长步道光电科技有限公司研发部 |
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