監(jiān)控?cái)z像機(jī)鏡頭的選擇和正確使用方法

1、監(jiān)控?cái)z像機(jī)鏡頭的選擇和正確使用方法 默認(rèn)分類(lèi) 2009-03-22 10:29 閱讀954 評(píng)論3 字號(hào)： 大大 中中 小小 鏡頭 鏡頭是電視監(jiān)控系統(tǒng)中必不可少的部件，鏡頭與CCD攝像機(jī)配合，可以將遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像在攝像機(jī)的CCD靶面上。 鏡頭的種類(lèi)繁多，從焦距上分類(lèi)，可分為短焦距、中焦距、和焦距和變焦距鏡頭；從視場(chǎng)的大小分類(lèi)，可分為廣角、標(biāo)準(zhǔn)、遠(yuǎn)攝鏡頭；從結(jié)構(gòu)上分類(lèi)，還可分為固定光圈定焦鏡頭、手動(dòng)光圈定焦鏡頭、自動(dòng)光圈定焦鏡頭、手動(dòng)變焦鏡頭、自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦鏡頭、電動(dòng)三可變鏡頭（指光圈、焦距、聚焦這三者均可變）等類(lèi)型。由于鏡頭選擇得合適與否，直接關(guān)系到攝像質(zhì)量的優(yōu)劣，因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須合理

2、選擇鏡頭。 鏡頭的參數(shù) 鏡頭的光學(xué)特性包括成像尺寸、焦距、相對(duì)孔徑和視場(chǎng)角等幾個(gè)參數(shù)，一般在鏡頭所附的說(shuō)明書(shū)中都有注明，以下分別介紹。 A、成像尺寸 鏡頭一般可分為25. 4mm（lin）、16. 9mm（2/3in）、12. 7mm（1/2in）、8.47mm（1/3in）和6.35mm（1/4in）等幾種規(guī)格，它們分別對(duì)應(yīng)著不同的成像尺寸，選用鏡頭時(shí)，應(yīng)使鏡頭的成像尺寸與攝像機(jī)的靶面尺寸大小相吻合。表2-1列出了幾種常見(jiàn)CCD芯片的靶面尺寸，表中單位為mm。 標(biāo)稱(chēng)芯片尺寸CCD/感光靶面尺寸25. 41 16. 92/3 12. 71/2 8. 471/3 6. 351/4 對(duì)角線 16

3、11 8 6 4. 5 垂直 9. 6 6. 6 4. 8 3. 6 2. 7 水平 12. 7 8. 8 6. 4 4. 8 3. 6 表2-1 幾種常見(jiàn)CCD芯片的靶面尺寸 由表2-1可知，12. 7mm（1/2in）的鏡頭應(yīng)配12. 7mm（1/2in）靶面的攝像機(jī)，當(dāng)鏡頭的成像尺寸比攝像機(jī)靶面的尺寸大時(shí)，不會(huì)影響成像，但實(shí)際成像的視場(chǎng)角要比該鏡頭的標(biāo)稱(chēng)視場(chǎng)角小（參見(jiàn)圖2-2），而當(dāng)鏡頭的成像尺寸比攝像機(jī)靶面的尺寸小時(shí)，就會(huì)影響成像，表現(xiàn)為成像的畫(huà)面四周被鏡筒遮擋，在畫(huà)面的4個(gè)角上出現(xiàn)黑角（參見(jiàn)圖2-2） 焦距 在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)有用戶(hù)提出該攝像機(jī)能看清多么遠(yuǎn)的物體或該攝像機(jī)能看清多么

4、寬的場(chǎng)景等問(wèn)題，這實(shí)際上由所選用的鏡頭的焦距來(lái)決定，因?yàn)榻咕鄾Q定了攝取圖像的大小，用不同焦距的鏡頭對(duì)同一位置的某物體攝像時(shí)，配長(zhǎng)焦距鏡頭的攝像機(jī)所攝取的景物尺寸就大，反之，配短焦距鏡頭的攝像機(jī)所攝取的景物尺寸就小。當(dāng)然，被攝物體成像的清晰度還與所 選用的CCD攝像機(jī)的分辨率及監(jiān)視器的分辨率有關(guān)。 理論上，任何一種鏡頭均可拍攝很遠(yuǎn)的物體，并在CCD靶面上成一很小的像，但受CCD單元（像素）物理尺寸的限制，當(dāng)成像小到小于CCD傳感器的一個(gè)像素大小時(shí)，便不再能形成被攝物體的像，即使成像有幾個(gè)像素大小，該像也難以辨識(shí)為何物。 當(dāng)已知被攝物體的大小及該物體到鏡頭距離，則可根據(jù)下兩式估算所選取配鏡頭的焦距

5、： f=hD/H f=vD/V 式中，D為鏡頭中心到被攝物體的距離；H和V分別為被攝物體的水平尺寸和垂直尺寸；v為靶面成像的高度 h為靶面成像的水平寬度。 成像場(chǎng)景的大小與成像物體的顯示尺寸是互相矛盾的，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，用同一支攝像機(jī)對(duì)同一個(gè)停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視，選用短焦距鏡頭可以對(duì)整個(gè)停車(chē)場(chǎng)的全景進(jìn)行監(jiān)視并看到出入口外的車(chē)輛進(jìn)出，但卻不能看清該輛車(chē)的牌照號(hào)碼（該車(chē)在監(jiān)視器屏幕上僅占據(jù)了很小的面積）；而選用長(zhǎng)焦距鏡頭雖可以看清該輛車(chē)的牌照號(hào)碼（該車(chē)占據(jù)了屏幕上的大部分面積），卻又不能監(jiān)視到整個(gè)停車(chē)場(chǎng)的全貌。因此當(dāng)需要既監(jiān)視全景以要看清局部時(shí)，一般應(yīng)考慮配用電動(dòng)兩可變或電動(dòng)三可變鏡頭。當(dāng)然，在選定了鏡頭

6、的前提下，選用高分辨率的攝像機(jī)及監(jiān)視器則可以在被監(jiān)視物體成像尺寸較小時(shí)也能看清局部細(xì)節(jié)。 C、相對(duì)孔徑 為了控制通過(guò)鏡頭的光通量大小，在鏡頭的后部均設(shè)置了光闌（俗稱(chēng)光圈）。假定光闌的有效孔徑為d，由于光線折射的關(guān)系，鏡頭實(shí)際的有效孔徑為D，D與焦距f之比定義為相對(duì)孔徑A，即 A=D/f 鏡頭的相對(duì)孔徑?jīng)Q定于被攝像的照度，像的照度E與鏡頭的相對(duì)孔徑平方成正比，一般習(xí)慣上用相對(duì)孔徑的倒數(shù)來(lái)表示鏡頭光闌的大小，即 F=f/D 式中，F(xiàn)一般稱(chēng)為光欄F數(shù)，標(biāo)注在鏡頭光欄調(diào)整圈上，其標(biāo)值為1. 4、2、2. 8、4、5. 6、8、11、16、22等序列值，每?jī)蓚€(gè)相鄰數(shù)值中，后一個(gè)數(shù)值是前一個(gè)數(shù)值的倍。由于

7、像面照度與光欄的平方成正比，所以光欄每變化一檔，像面亮度就變化一倍。F值越小，光欄越大，到達(dá)攝像機(jī)靶面的光通量就越大 D、視場(chǎng)角 鏡頭有一個(gè)確定的視野，鏡頭對(duì)這個(gè)視野的高度和寬度的張角稱(chēng)為視場(chǎng)角。視場(chǎng)角與鏡頭的焦距f及攝像機(jī)靶面尺寸（水平尺寸h及垂直尺寸v）的大小有關(guān)，鏡頭的水平視場(chǎng)角ah及垂直視場(chǎng)角av可分別由下式來(lái)計(jì)算，即 ah=2arctg（h/2f） av=2arctg（v/2f） 由以上兩式可知，鏡頭的焦距f越短，其視場(chǎng)角越大，或者，攝像機(jī)靶面尺寸h或v越大，其視場(chǎng)角也越大。如果所選擇的鏡頭的視場(chǎng)角太小，可能會(huì)因出現(xiàn)監(jiān)視死角而漏監(jiān)；而若所選擇的鏡頭的視場(chǎng)角太大，又可能造成被監(jiān)視的主體

8、畫(huà)面尺寸太小，難以辨認(rèn)，且畫(huà)面邊緣出現(xiàn)畸變。因此，只有根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境選擇視場(chǎng)角合適的鏡頭，才能保證既不出現(xiàn)監(jiān)視死角，又能使被監(jiān)視的主體畫(huà)面盡可能大而清晰。 表2-2列出了幾種常用鏡頭的水平視場(chǎng)角，表中的參數(shù)是以日本精工系列鏡頭為參考給出的。 焦距/mm鏡頭尺寸/in 2. 8 3. 5 4. 0 4. 8 6. 08. 0 12. 0 16. 0 25. 0 1/3 86. 3 67. 4 62. 0 52. 2 42. 3 32. 6 22. 1 17. 1 10. 6 1/2 94. 6 69. 457. 1 42. 6 29.7 22. 6 14. 2 2/3 59. 2 30. 8

9、 19. 4 1 27. 8 表2-2 列出了幾種常用鏡頭的水平視場(chǎng)角 圖2-3為不同焦距鏡頭所對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角示意圖（設(shè)所用鏡頭均配接1/2in靶面CCD攝像機(jī)）。 圖2-3 不同焦距鏡頭所對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角 在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常聽(tīng)到有用戶(hù)提出諸如某攝像機(jī)能夠“看多遠(yuǎn)”之類(lèi)的問(wèn)題，比如100m、500m甚至1km遠(yuǎn)外的物體還能否在監(jiān)視器上清晰地顯示出來(lái)。有了前面關(guān)于鏡頭的成像尺寸、焦距及視場(chǎng)角等概念后，這個(gè)問(wèn)題就不難解釋了，即“看多遠(yuǎn)”問(wèn)題與許多因素有關(guān)。比如說(shuō)，用某定焦鏡頭可以看清100m遠(yuǎn)處的鈔票的面值。一般來(lái)說(shuō)，鏡頭焦距越長(zhǎng)，“看”得就越遠(yuǎn)，但同時(shí)視場(chǎng)角卻變小，結(jié)果觀看的范圍變窄了。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子

10、，若用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭剛好看清遠(yuǎn)處某人的基本特征（是男或是女），則換用長(zhǎng)焦距鏡頭則可能看清其面部特征（是否有痣或疤），但卻無(wú)法看見(jiàn)該人穿的是什么褲子和鞋（這部分已經(jīng)“漲”出了畫(huà)面），而換用廣角鏡頭則只可能看到畫(huà)面中有人（連男女都分辨不出），但卻可看清該人在整個(gè)監(jiān)視場(chǎng)景中的所處的位置，周?chē)€有什么別的人物或參照物。因此，關(guān)于“看多遠(yuǎn)”的較為科學(xué)的說(shuō)法應(yīng)該是“在屏幕上成的像大小可對(duì)應(yīng)于實(shí)際觀測(cè)距離處多高或多寬的景物”。例如，用8mm鏡頭觀測(cè)10m 遠(yuǎn)處的景物，如果該處有10個(gè)人站成一排則剛好可橫向充滿(mǎn)整個(gè)監(jiān)視器屏幕。 E、接口 鏡頭的安裝方式有C型安裝和CS型安裝兩種。圖2-4畫(huà)出了這兩種鏡頭的接口部位示

11、意圖。其中上半部為CS型鏡頭，下半部為C型鏡頭。在電視監(jiān)控系統(tǒng)中常用的鏡頭是C型安裝鏡頭（in32牙螺紋座），這是一種國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。這種鏡頭安裝部位的口徑是25. 4mm（in），從鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點(diǎn)的距離是17. 526 mm。大多數(shù)攝像機(jī)的鏡頭接口則做成CS型，因此將C型鏡頭安裝到CS接口的攝像機(jī)時(shí)需增配一個(gè)5 mm厚的接圈，而將CS鏡頭安裝到CS接口的攝像機(jī)時(shí)就不需接圈。 在實(shí)際應(yīng)用中，如果誤對(duì)CS型鏡頭加裝接圈后安裝到CS接口攝像機(jī)上，會(huì)因?yàn)殓R頭的成像面不能落到攝像機(jī)的CCD靶面上而不能得到清晰的圖像，而如果對(duì)C型鏡頭不加接圈就直接接到CS接口攝像機(jī)上，則可能使鏡頭的后鏡面碰到CC

12、D的靶面的保護(hù)玻璃，造成CCD攝像機(jī)的損壞，這一點(diǎn)在實(shí)用中需特別注意。 鏡頭的種類(lèi) 鏡頭的種類(lèi)有許多種，每一種鏡頭都有其特點(diǎn)。根據(jù)功能與結(jié)構(gòu)的不同，這些鏡頭的價(jià)格相差非常大，如電動(dòng)變焦鏡頭要比普通定焦鏡頭的價(jià)格高約10倍，因此，只有正確了解各種鏡頭的特性，才能更加靈活地選擇鏡頭。 A、固定光圈定焦鏡頭 固定光圈定焦鏡頭是相對(duì)較為簡(jiǎn)單的一種鏡頭，該鏡頭上只有一個(gè)可手動(dòng)調(diào)整的對(duì)焦調(diào)整環(huán)（環(huán)上標(biāo)有若干距離參考值），左右旋轉(zhuǎn)該環(huán)可使成在 CCD靶面上的像最為清晰，此時(shí)在監(jiān)視器屏幕上得到圖像也最為清晰。 由于是固定光圈鏡頭，因此在鏡頭上沒(méi)有光圈調(diào)整環(huán)，也就是說(shuō)該鏡頭的光圈是不可調(diào)整的，因而進(jìn)入鏡頭的光通

13、量是不能通過(guò)簡(jiǎn)單地改變鏡頭因素而改變，而只能通過(guò)改變被攝現(xiàn)場(chǎng)的光照度來(lái)調(diào)整，如增減被攝現(xiàn)場(chǎng)的照明燈光等。這種鏡頭一般應(yīng)用于光照度比較均勻的場(chǎng)合，如室內(nèi)全天以燈光照明為主的場(chǎng)合，在其他場(chǎng)合則需與帶有自動(dòng)電子快門(mén)功能的CCD攝像機(jī)合用（當(dāng)然，目前市面上絕大多數(shù)的CCD攝像機(jī)均帶有自動(dòng)電子快門(mén)功能），通過(guò)電子快門(mén)的調(diào)整來(lái)模擬光通量的改變。 B、手動(dòng)光圈定焦鏡頭 手動(dòng)光圈定焦鏡頭比固定光圈定焦鏡頭增加了光圈調(diào)整環(huán)，其光圈調(diào)整范圍一般可從F1. 2或F1. 4到全關(guān)閉，能很方便地適應(yīng)被攝現(xiàn)場(chǎng)的光照度，然而由于光圈的調(diào)整是通過(guò)手動(dòng)人為地進(jìn)行的，一旦攝像機(jī)安裝完畢，位置固定下來(lái)，再頻繁地調(diào)整光圈就不那么容易

14、了，因此，這種鏡頭一般也是應(yīng)用于光照度比較均勻的場(chǎng)合，而在其他場(chǎng)合則也需與帶有自動(dòng)電子快門(mén)功能的CCD攝像機(jī)合用，如早晚與中午、 晴天與陰天等光照度變化比較大的場(chǎng)合，通過(guò)電子快門(mén)的調(diào)整來(lái)模擬光通量的改變。 C、手動(dòng)光圈定焦鏡頭 手動(dòng)光圈定焦鏡頭比固定光圈定焦鏡頭增加了光圈調(diào)整環(huán)，其光圈調(diào)整范圍一般可從F1. 2或F1. 4到全關(guān)閉，能很方便地適應(yīng)被攝現(xiàn)場(chǎng)的光照度，然而由于光圈的調(diào)整是通過(guò)手動(dòng)人為地進(jìn)行的，一旦攝像機(jī)安裝完畢，位置固定下來(lái)，再頻繁地調(diào)整光圈就不那么容易了，因此，這種鏡頭一般也是應(yīng)用于光照度比較均勻的場(chǎng)合，而在其他場(chǎng)合則也需與帶有自動(dòng)電子快門(mén)功能的CCD攝像機(jī)合用，如早晚與中午、晴

15、天與陰天等光照度變化比較大的場(chǎng)合，通過(guò)電子快門(mén)的調(diào)整來(lái)模擬光通量的改變。 D、手動(dòng)變焦鏡頭 顧名思義，手動(dòng)變焦鏡頭的焦距是可變的，它有一個(gè)焦距調(diào)整環(huán)，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整鏡頭的焦距，其變比一般為23倍，焦距一般在3. 68 mm。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡頭的變焦環(huán)，可以方便地選擇監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的視場(chǎng)角，如：可選擇對(duì)整個(gè)房間的監(jiān)視或是選擇對(duì)房間內(nèi)某個(gè)局部區(qū)域的監(jiān)視。當(dāng)對(duì)于監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境情況不十分了解時(shí)，采用這種鏡頭顯然是非常重要的了。 對(duì)于大多數(shù)電視監(jiān)控系統(tǒng)工程來(lái)說(shuō)，當(dāng)攝像機(jī)安裝位置固定下來(lái)后，再頻繁地手動(dòng)變焦是很不方便的，因此，工程完工后，手動(dòng)變焦鏡頭的焦距一般很少再去調(diào)整，而僅僅起到定焦鏡

16、頭的作用。因而手動(dòng)變焦鏡頭一般用在要求較為嚴(yán)格而用定焦鏡頭又不易滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合。但這種鏡頭卻受到工程人員的青睞，因?yàn)樵谑┕ふ{(diào)試過(guò)程中使用這種鏡頭，通過(guò)在一定范圍的焦距調(diào)節(jié)，一般總可以找到一個(gè)可使用戶(hù)滿(mǎn)意的觀測(cè)范圍（不用反復(fù)更換不同焦距的鏡頭），這一點(diǎn)在外地施工中尤為顯得方便。 E、自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦鏡頭 此種鏡頭與前述的自動(dòng)光圈定焦鏡頭相比另外增加了兩個(gè)微型電動(dòng)機(jī)，其中一個(gè)電動(dòng)機(jī)與鏡頭的變焦環(huán)嚙合，當(dāng)其受控而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可改變鏡頭的焦距（Zoom）；另一個(gè)電動(dòng)機(jī)與鏡頭的對(duì)焦環(huán)嚙合，當(dāng)其受控而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可完成鏡頭的對(duì)焦（Focus）。由于該鏡頭增加了兩個(gè)可遙控調(diào)整的功能，因而此種鏡頭也稱(chēng)作電動(dòng)兩可變鏡頭。 自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦鏡頭一般引出兩組多芯線，其中一組為自動(dòng)光圈控制線，其原理和接法與前述的自動(dòng)光圈定焦鏡頭的控制線完全相同；另一組為控制鏡頭變焦及對(duì)焦的控制線，一般與云臺(tái)鏡頭控制器及解碼器相連。當(dāng)操作遠(yuǎn)程控制室內(nèi)云臺(tái)鏡頭控制器及解碼器的變焦或?qū)拱粹o時(shí)，將會(huì)在此變焦或?qū)沟目刂凭€上施加一個(gè)或正或負(fù)的直流電壓，該電壓加在相應(yīng)的微型電動(dòng)機(jī)上，使鏡頭完成變 焦及對(duì)焦調(diào)整功能。 F、電動(dòng)三可變鏡頭 此種鏡頭與前述電動(dòng)兩可變鏡頭結(jié)構(gòu)相差不多，只是將對(duì)光圈調(diào)整電動(dòng)機(jī)的控制由自動(dòng)控制方式改為由控制器來(lái)手動(dòng)控