监控镜头

在实际应用中，经常听到有用户提出诸如某摄像机能够“看多远”之类的问题，比如100m、500m甚至1km远外的物体还能否在监视器上清晰地显示出来。有了前面关于镜头的成像尺寸、焦距及视场角等概念后，这个问题就不难解释了，即“看多远”问题与许多因素有关。比如说，用某定焦镜头可以看清100m远处的钞票的面值。一般来说，镜头焦距越长，“看”得就越远，但同时视场角却变小，结果观看的范围变窄了。举个简单的例子，若用标准镜头刚好看清远处某人的基本特征（是男或是女），则换用长焦距镜头则可能看清其面部特征（是否有痣或疤），但却无法看见该人穿的是什么裤子和鞋（这部分已经“涨”出了画面），而换用广角镜头则只可能看到画面中有人（连男女都分辨不出），但却可看清该人在整个监视场景中的所处的位置，周围还有什么别的人物或参照物。因此，关于“看多远”的较为科学的说法应该是“在屏幕上成的像大小可对应于实际观测距离处多高或多宽的景物”。例如，用8mm镜头观测10m远处的景物，如果该处有10个人站成一排则刚好可横向充满整个监视器屏幕。

　　一般情况下，为了能够较为清楚的探测到监视范围内的目标并实现自动跟踪，一般要求在CCD靶面上的目标至少占有三行电视线。若要能分辨出人物，则一般应要求人物的面部成像在356mm（14in）监视器上占到12.7mm(0.5in)以上。

　　在实际应用中，经常会有用户提出该摄像机能看清楚多么远的物体或该摄像机能看清楚多宽的场景等问题，这实际上要由所选用的镜头的焦距来决定，另外还与所选择的摄像机的分辨率及监视器的分辨率有关。

　　光学系统的焦距是指光组主点到焦点的距离。而镜头的焦距实际上就是构成镜头的组合光组的焦距，它决定了摄取图象的大小，用不同焦距的镜头对同一位置的物体摄像时，配长焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大，反之，配短焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就小。

　　理论上，任何一种镜头均可拍摄很远处的物体，并在摄像机的成像靶面上成一个很小的像，但受象素的限制，当成像小到小于图像传感器的一个象素大小时，便不再能形成被摄物体的像，即便成像有几个象素大小，该像也难以辨别为何物。

　　当已知被摄物体的大小及该物体到镜头的距离，则可根据下面的两式估算所选配镜头的焦距：

　　f=h*D/H

　　f=v*D/V

　　f——镜头的焦距

　　h、v——CCD感光靶面的水平尺寸和垂直尺寸

　　D——镜头中心到被摄物体的距离

　　H、V——被摄物体的水平尺寸和垂直尺寸

　　基本知识

　　2. 2. 1、接口

　　镜头的安装方式有C型安装和CS型安装两种。图2-4画出了这两种镜头的接口部位示意图。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的镜头是C型安装镜头（in32牙螺纹座），这是一种国际公认的标准。这种镜头安装部位的口径是25. 4mm（in），从镜头安装基准面到焦点的距离是17. 526 mm。大多数摄像机的镜头接口则做成CS型，因此将C型镜头安装到CS接口的摄像机时需增配一个5 mm厚的接圈，而将CS镜头安装到CS接口的摄像机时就不需接圈。

　　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，会因为镜头的成像面不能落到摄像机的CCD靶面上而不能得到清晰的图像，而如果对C型镜头不加接圈就直接接到CS接口摄像机上，则可能使镜头的后镜面碰到CCD的靶面的保护玻璃，造成CCD摄像机的损坏，这一点在实用中需特别注意。

　　2. 2. 2镜头的种类

　　镜头的种类有许多种，每一种镜头都有其特点。根据功能与结构的不同，这些镜头的价格相差非常大，如电动变焦镜头要比普通定焦镜头的价格高约10倍，因此，只有正确了解各种镜头的特性，才能更加灵活地选择镜头。

　　A、固定光圈定焦镜头

　　固定光圈定焦镜头是相对较为简单的一种镜头，该镜头上只有一个可手动调整的对焦调整环（环上标有若干距离参考值），左右旋转该环可使成在 CCD靶面上的像最为清晰，此时在监视器屏幕上得到图像也最为清晰。

　　由于是固定光圈镜头，因此在镜头上没有光圈调整环，也就是说该镜头的光圈是不可调整的，因而进入镜头的光通量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的光照度来调整，如增减被摄现场的照明灯光等。这种镜头一般应用于光照度比较均匀的场合，如室内全天以灯光照明为主的场合，在其他场合则需与带有自动电子快门功能的CCD摄像机合用（当然，目前市面上绝大多数的CCD摄像机均带有自动电子快门功能），通过电子快门的调整来模拟光通量的改变。

　　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的光照度，然而由于光圈的调整是通过手动人为地进行的，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，这种镜头一般也是应用于光照度比较均匀的场合，而在其他场合则也需与带有自动电子快门功能的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的场合，通过电子快门的调整来模拟光通量的改变。

　　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的改变，它相当于在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个由齿轮啮合传动的微型电动机，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，至使镜头内的微型电动机相应做正向或反向转动，从而高速光圈的大小。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，手动变焦镜头的焦距是可变的，它有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距，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，通过手动调节镜头的变焦环，可以方便地选择监视现场的视场角，如：可选择对整个房间的监视或是选择对房间内某个局部区域的监视。当对于监视现场的环境情况不十分了解时，采用这种镜头显然是非常重要的了。

　　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，再频繁地手动变焦是很不方便的，因此，工程完工后，手动变焦镜头的焦距一般很少再去调整，而仅仅起到定焦镜头的作用。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的场合。但这种镜头却受到工程人员的青睐，因为在施工调试过程中使用这种镜头，通过在一定范围的焦距调节，一般总可以找到一个可使用户满意的观测范围（不用反复更换不同焦距的镜头），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

　　此种镜头与前述的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的变焦环啮合，当其受控而转动时可改变镜头的焦距（Zoom）；另一个电动机与镜头的对焦环啮合，当其受控而转动时可完成镜头的对焦（Focus）。由于该镜头增加了两个可遥控调整的功能，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，其原理和接法与前述的自动光圈定焦镜头的控制线完全相同；另一组为控制镜头变焦及对焦的控制线，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的变焦或对焦按钮时，将会在此变焦或对焦的控制线上施加一个或正或负的直流电压，该电压加在相应的微型电动机上，使镜头完成变焦及对焦调整功能。

1、镜头的接口。接口分为CS接头和C接头，二者之间有5mm的差距，需要注意镜头和摄像机匹配。

2、镜头尺寸和摄像机sensor尺寸需要对应。如果镜头尺寸与摄像机sensor尺寸不一致时，尽量选择比摄像机靶面尺寸大的镜头，如1/2.5英寸的CCD摄像机，应选择1/2英寸镜头， 不能选择1／3英寸。

3、镜头的光圈分固定光圈，自动光圈和手动光圈。这个需要实际环境等因素来进行选择。室外的话推荐用自动光圈镜头。

4、镜头焦距的选择。一般来说焦距和实际距离1mm基本就是对应实际的1M。根据自己的实际情况选择吧。

镜头上的F是光圈值。光圈越大进光量越多，值越小。^[1]

因镜头的重要性，在进行安防监控工程设计规划前，只有先摸清镜头的类型及其应用方式，并了解其搭配应用的特性，才能发挥镜头最佳成像。以目前国内分类方式来说，镜头大致可以分为如下 十种类型。

·固定光圈镜头：定焦且固定光圈，主要用于环境光线固定的场所；

·手动光圈镜头：定焦但光圈可调，主要用于环境光线固定但明暗不定的场所；

·自动光圈镜头(DC-drive)：固定焦距，使用DC电压驱动用于环境光线变化性的固定范围场所；

·自动光圈镜头(Video-drive)：固定焦距，使用视频信号驱动用于环境光线变化性的固定范围场所；

·手动光圈变焦镜头：主要用于室内环境光线程度不定且范围大小不一的场所；

·自动光圈变焦镜头：主要用于室外环境光线程度不定且范围大小不一的场所；

·板机镜头(on-Board)：以搭配红外线摄像机为主，室内外均适用；

·鱼眼全景镜头：主要用于室内环境光线程度不定且范围大小特定的场所；

·电动变焦镜头：可遥控焦距景深及光圈，主要用于室内外环境光线程度不定而且景深范围大小可依要求调整的场所；

·针孔镜头(Pin-Hole)：主要用于隐匿监控及环境光线不定且范围特定的场所。

由以上镜头分类可看出，各类镜头的区别主要在其用途及应用环境需求上。因此在实际应用上，如何完美地搭配镜头，对工程商来说也是一大考验。

镜头本身是高精密光学器件，高清镜头尤其如此。高清镜头之所以具备较佳的高清性能，离不开其采用的关键技术：

1.超精密模造非球面技术

传统的球面技术发展到今天，其设计技术和制造工艺都已相当成熟，在光学行业的几乎所有领域都有广泛的应用。然而在设计复杂高清镜头时，球面技术的成像效果无法达到最佳。非球面技术可以校正球面像差，大幅度提高镜头的成像质量。非球面镜片形状是通过精确计算并由精密机器模造而成，一片非球面镜片就能实现多个球面镜片校正像差的效果。采用超精密模造非球面镜片的镜头可以有效地减小镜头体积的同时，使得镜头的成像更清晰，透光度更好，色彩还原更加准确。

2.多层宽带增透镀膜技术

多层宽带增透镀膜技术，能最大程度地提高镜头的光线透过率，降低光线在每个光学镜片表面的残余反射。该技术可以将玻璃和空气界面的可见光反射率抑制到0.5%以内，同时将近红外光的反射率降至约1%，如图3所示。通过高质量的镀膜，减少了图像上不必要的杂散光和鬼像，有效提高画面的通透性，亦保证了可靠的高清效果。

3.超低色散材料技术

普通监控镜头，在设计上也会考虑校正不同波长光线(红、绿、蓝)的像差，但通常是将两头的红、蓝两种色光的聚焦同一位置上，但和中间的绿光焦点仍然不重合，即存在二级光谱的像差，限制镜头成像质量进一步提升。为了校正二级光谱，如海康威视监控高清系列镜头，广泛使用了超低色散的光学玻璃材料，利用其不同于常规光学玻璃的色散特性，可以将红、绿、蓝等色光聚焦到同一个平面上，如图4所示，镜头高清性能更优。

4.精密变焦凸轮设计技术

对于高清变焦镜头而言，其成像质量在很大程度上取决于变焦凸轮的精度。通过凸轮的旋转，带动变焦和聚焦组镜片前后移动，从而实现焦距的连续变化和聚焦点的调节。如果凸轮的精度不佳，则在变焦和聚焦的过程中，不可避免的会出现透镜光轴的偏移或者倾斜，导致成像质量的严重下降。海康威视高清系列监控镜头，采用精密变焦凸轮设计技术，能保证良好的凸轮制造精度，确保变焦和聚焦过程中的成像质量，同时也保证了顺滑而不失阻尼感的调节手感。

近些年，随着安防技术推陈出新，高清技术开始广泛应用，高清摄像机也逐步取代标清摄像机，成为市场主流。高清摄像机能为用户提供更好的画质，更多的细节信息，减少了“俄罗斯方块组成的印象油画”笑剧。摄像机的高清效果，不仅仅是依靠更高像素的感光器件、更好的ISP技术、更高效的存储技术，高清镜头也是关键技术，没有匹配的高清镜头，高清摄像机也不能发挥出应有的高清效果。

高清镜头，也称超百万像素镜头，与普通镜头相比具有清晰度高、光谱透射能力强、做工更精密等优势。一般选取镜头成像圈中心及0.7视场的解像力作为评判镜头清晰度的标准，成像圈中心和0.7视场都能达到1000TVLine以上，才称之为高清镜头。

2010年起，高清镜头保持平均每年10%以上增长速度，目前国内CCTV高清镜头市场主要品牌有海康威视、凤凰光学、福建福光、厦门力鼎等国产品牌，以及富士能、腾龙、computar、宾得等日系品牌。由于国内光学技术迅速进步和安防镜头的国产化趋势，以海康威视为代表的国产品牌逐渐取代日系品牌，开始占据更多的市场份额。凭借对市场需求的精准把握和对性能、品质的不懈追求，目前海康威视的高清镜头产品已经涵盖了1/2.7”高清红外变焦，1/1.8”高清红外变焦和ITS高清等多个大的系列。