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安防监控系统中CCTV镜头浅析

安防监控系统中的CCD摄像机倘若没有了镜头,就像是人没有了眼睛。高质量的摄像机更需要高质量的镜头来搭配才能获得理想的效果。本文试图从监控镜头的用途、加工、结构、选择、特殊运用和调试等方面为读者进行一次全面的镜头知识介绍。\r\n
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    在安防监控系统中,闭路监控(CCTV)镜头是一个重要的组成部分,它的作用主要用于收集监控场景反射来的光线,并且将这些光聚焦到摄像机的传感器上(CCD靶面),达到光电转化的效果。举例来说,跟人的眼睛一样,光线通过角膜、虹膜,晶状体、玻璃体,最后落到人的视网膜上,形成物体图像。

监控镜头的用途
    上面我们已经大概地了解到监控镜头主要是用来采集场景的反射光线,但为了获得更好的预期效果,为了把需要监视的物体的暗亮程度、场景光线的变化以及监控物体远近的变化能更好的体现,使得对镜头的选用变得非常重要。各类镜头功能与用途不同,而镜头选用常常是根据现场的要求来确定的。

    所要拍摄的画面的质量通常由镜头的通透性(F)、被拍摄物体的照度、摄像机的敏感度、摄像机的解像度等来决定的,而F值对于镜头来说又是一个非常重要的衡量指标。F值通常是由镜头的焦距(f )和通光口径(D)来决定的,F= f /D,同样直径的镜头,焦距越长,F值越大,到达 CCD靶面上的光线越少。现在市场上F1.4的镜头较为常见,少数的非球面镜头的F值达到0.9也是可能的。

    现在市场上常见镜头的F值有F 1.2、F1.4、F1.6、F1.8、F2.0等,其常常被表示成F1.2~360、F1.4~360、F1.4~C(C为无穷大)等形式。总之,镜头的通光量的大小决定了通过镜头到CCD靶面(传感器)上的光线的多少。这在监控系统的使用中,根据具体的要求,选用好的镜头是必要的。

镜头的选择
镜头的选择主要考虑以下几个方面:
·CCD靶面的尺寸(1、2/3、1/2、1/3、1/4英寸等);
·周围场景的光线是否随时间的变化;
·逆光的场合;
·远端控制;
·监控物体的大小。

    以上这些条件是选用镜头的基本要素,总之,就是要选择能够达到监控效果的镜头。

    常用的镜头分固定光圈、手动光圈、自动光圈(直流、视频驱动)、和电动镜头几种。其中固定光圈和手动光圈镜头好理解,固定光圈镜头的光圈大小不能变化,而手动光圈镜头由手来调节光圈的大小。自动光圈镜头分直流驱动(DC)和视频驱动(AI)两种,(DC)直流驱动镜头就是说由摄像机给镜头一个驱动电流,来确定光圈的打开和关闭;而(AI)视频驱动镜头通常是根据摄像机收到的视频信号的大小,调整光圈打开与关闭,根据光亮程度,自动调节光圈的大小。电动镜头,通常是指电动三可变的镜头,由电机驱动光圈变化。[nextpage]

光学镀膜的作用和镜头效果
    在镜头使用时,我们可以看到镜片的表面会有一层彩色的膜层,这就是镜头的光学镀膜。

    镜头镀膜的作用一般是:防止镜片腐蚀,就是防止镜片内的元素与外界的氧气和酸碱接触后对镜片进行腐蚀;增强一定的硬度,防止损害镜片;反射掉不需要的光线,接受需要的光。通常情况下,镜片的折射因光波的长短而不同,使得青光的折射最小、通透性最强,红光正相反。为了使得几组镜片上收集到的光线与原景光线相同,就必须放射掉一部分青光,这样才能使得最后CCD靶面上接受到的光线一致,使之达到最佳的通透效果。

    镜头的最佳效果就是保证各个镜片同轴,所以对各组件的精度要求较高。日本一些镜头制造公司对镜片的加工方面起步较早,精度也高,在国内的享有很高的知名度和影响力,所以一般来说效果更好些。,镜头不仅仅是对光学件精度要求很高,就是对外壳等,也要求有较高的品质。

镜头的焦距和视场角
    在选择镜头的时候通常会问,这个场景要用多大焦距的镜头。这就涉及到镜头的焦距和视场角的问题。镜头焦距就是镜头焦点到摄像机靶面的距离用(f)来表示。镜头又分定焦和变焦镜头两种,定焦镜头就是焦点固定,常见的有f2.8, f4 ,f6 ,f8 ,f12 ,f16, f25, f50, f70等。根据镜头焦距的大小,镜头通常分为广角镜头,标准镜头和长焦镜头,通常焦距小于8的为广角镜头,8~25为标准镜头,25以上的为长焦镜头,也可叫狭角镜头。另外的分法是根据镜头视场角来分的,镜头角度>45度的为广角镜头,在15度到45度之间的为普通镜头,<15度的为长焦镜头。使用不同焦距的镜头达到的不同效果。

    变焦镜头是指焦距可调的镜头,通常又分为手动和电动两种。手动变焦就是说,通过手动来调节焦距的变化,达到预期的效果。变焦镜头,通常也可以说是变倍镜头,举例来说, TOKINA的TVR3314镜头就是手动变焦镜头,焦距的变化范围是3.3-8毫米,也可以说是2.4倍的镜头。因为在调整焦距变化的同时,通常先要调整变倍组的变化,然后调整调焦组,调整清晰,达到预期的焦距要求。电动变焦镜头是指有驱动电机来驱动变焦组和变倍组的变化,来达到预期效果的,变焦的控制是有控制系统来控制调整的。

根据场景的要求不同,选定的镜头也不同。焦距的大小是根据摄像机CCD靶面的不同和物体的大小来确定的,通常的CCD以2/3、1/2、1/3、1/4英寸为最常见,我们以1/3英寸为例,它的尺寸:
选择镜头有如下的公式w/W=h/H=f/L
W:物体的宽度;
H:物体的高度;
w:表示CCD靶面的横幅,1/3英寸为4.8mm;
h:表示CCD靶面的高度,1/3英寸为3.6mm;
f:焦点到靶面距离;
L:物体距离(物体到焦点的距离)。[nextpage]

    根据给定的条件,来确定镜头焦距的大小,然后再根据场景的具体情况,看看选用什么样的镜头,是变焦还是定焦,手动还是自动,还是电动的镜头。举例来说:视场宽50m,距离40m,使用1/3英寸的镜头,在座标图中的交点比代表4mm镜头的线偏上一点。这表明如果使用4mm镜头就不能覆盖50m的视场。而用2.8mm的镜头则可以完全覆盖视场。

CCTV中的特殊镜头
    前面所介绍的很多都是大家已经了解和熟悉的知识。但是在CCTV应用领域还有非常特殊的CCTV镜头,包括光纤镜头、管道镜头、分像镜头、拐角镜头、中继镜头、安定镜头。这些镜头各有所长,虽然市场上很难见其踪迹,但是它们可以实现普通镜头所无法完成的许多特殊功能。

光纤镜头
    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。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束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。中继镜头从光纤束处理和接收到图像后,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。

管道镜头
    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后能够重新聚焦。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f11和f30。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。

分像镜头
    分像镜头又称做双焦镜头,能够将两个单独场景同时成像的同一摄像机上。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,,摄像机就可以同时看到同一场景的广角和狭角的图像。其中一只是主镜,另一只是侧镜。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,就可以让两个镜头对准同一场景。在这种情况下,如果主镜使用广角镜头(6.5mm),侧镜使用狭角镜头(75mm)就构成一个双焦镜头。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。同样的道理,三向光学分像镜头可以同时观察三个不同的场景。而这三个场景可显示在同一监视器上。[nextpage]

拐角镜头
    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,拐角镜头会是一个很好的解决方案。因为拐角镜头可以使得摄像机贴墙安装,即摄像机轴线与墙面平行。拐角光学镜头使得2.6mm镜头的轴线变得与摄像机的轴线垂直,因为2.6mm镜头的视场可以达到110度。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。

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。

安定镜头
     在安全系统中,当镜头和摄像机在观察场景时晃动或震动时,就需要使用安定镜头。安定镜头广泛应用在手提式摄像机、车载摄像机、空中平台摄像机和船载摄像机系统中。安定镜头可以抵消摄像机因外力如风、车的转弯、船的摇摆等而引起的严重晃动。这种镜头系统内部设有活动光学器件,并通过这种器件的反向移动来抵消摄像机和场景之间的相对移动。

镜头安装与调试
镜头属于精密器件,所以安装时要求小心谨慎。但镜头不是易损件,镜头使用后,不会被损坏(除电动镜头的电动部分可能容易烧毁外)。电动镜头一般的驱动电压为6~24伏(6~12伏)不等,使用的时候一定要先确定好,不然容易造成镜头电路板或其他电子件的烧毁,造成镜头不能正常使用。

    镜头的工作环境一般在常温环境中,因为镜头中涂有润滑油,防渗液等。太冷,润滑油会凝固;太热,润滑油可能会流出,这样都会影响镜头的使用。如果监控的环境是在低温的情况下,常常要安装加热装置,使得镜头能够正常工作。

    镜头在安装后,有可能在监视器上显示出的图像不太清晰,这时我们要调试镜头的后焦距,使得镜头成像刚好落到CCD靶面上,直到清晰。

    对于自动光圈镜头(直流驱动、视频驱动),它一般由厂家调整好后出厂,但有时根据监控的场景不同,对比度的强弱不同,需要对镜头的ALC和LEVEL进行调整,具体情况最好参照说明书或询问有经验的技术人员及厂家。

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