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网络监控摄像机之镜头的选型与技术应用

2012-02-13 22:28:49 作者:admin 来源: 浏览次数:0 网友评论 0


    镜头的种类繁多,从焦距上分类,可分为短焦距、中焦距、和焦距和变焦距镜头;从视场的大小分类,可分为广角、标准、远摄镜头;从结构上分类,还可分为固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头


    镜头的种类繁多,从焦距上分类,可分为短焦距、中焦距、和焦距和变焦距镜头;从视场的大小分类,可分为广角、标准、远摄镜头;从结构上分类,还可分为固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头、电动三可变镜头(指光圈、焦距、聚焦这三者均可变)等类型。由于镜头选择得合适与否,直接关系到摄像质量的优劣,因此,在实际应用中必须合理选择镜头。

镜头的选型与画质关系

无论何种监控工程的应用中,视频画质效果皆是考核镜头优劣的核心因素。好的摄像机如果配上不好的镜头,就不能得到高质量的监控画面。同理,如果好的镜头却配上不好的摄像机,那也不会有好的视频画面呈现。高质量镜头不但在成像清晰度、对比度及亮度、色彩还原度具备尚佳表现,而且画面畸变率变形小。在与摄像机搭配上,镜头选型应考虑的因素包含下列几项。

  1. F值越小表示光通量越高。如果摄像机自身设有的照度计对通光量F值有一定要求,那么工程人员就更需要意识到镜头的光通量一定要大于摄像机的通光量,如摄像机是F1.4,则至少要选用F1.4或F1.2的镜头才能与之匹配;
  2. 镜头座的匹配。也就是C与CSMount必须相互匹配。当然,在目前大部分采用5mm配接环下此问题不大,不过在安装环节故障层出不穷(该部分将在安装章节上向读者说明);
  3. 光圈范围大,即f值由小到大的数值范围越大越好,由此能使搭配的摄像机对环境光线条件的适应足够应付任何光照条件变化;
  4. 镜片镀膜要均匀。目前质量较高的镜片的镀膜都是多层复合型镀膜。复合型镀膜可有效地抑制逆光及光线散射,以使摄像机避开光线造成的画面不良影响;
  5. 非球面的镜头搭配应用,无论百万还是非百万摄像机应用,搭配非球面镜对摄像机画面光线的整体平均度皆有很大改善。因为非球的镜头,在清晰度、对比度、画面亮度上较之球面镜头皆有较好的效果;
  6. 最好选用有焦距、景深或光圈都有固定锁定的调节螺丝。因为镜头应用在各种不同环境及固定条件下,如果有此装置可以避免已调节好的画面因摄像机震动而发生画质变动;
  7. 选用与镜头安装方便及大小结构适合的摄像机,过大或过小的镜头都会给摄像机安装调整或施工上带来不便,尤其是结构较为复杂的镜头更需谨慎采用;
  8. 红外线镜头的选用不是绝对的,在(Day&Night)日夜型摄像机与(Low-Light)低照度摄像机匹配上要慎之又慎。而ICR(彩转黑)摄像机对IR镜头没有偏好,相反,在黑白条件下,IR镜头反而可能是一种过度的功能浪费;
  9. 透过摄像机对红外线波场的感应范围来选择(LD低散射光学镜片)镜头。一般IR的红外线感应波长约是在300-750nm范围,但如果存在透雾的需求,那么摄像机及镜头在红外线感应波长上都必须要达到700-950nm的范围,因为只有波长达到该范围,才能发挥透雾的功效;
  10. ·镜头在摄像机的搭配上还必须注意口径上的搭配,过去单纯的1/2、1/3及1/4英寸口径已经不是定律,随着CMOS感光芯片的发展,越来越多的大小取像口径尺寸出现,镜头的搭配口径大于摄像机的口径这一原则依旧不变,然而该原则在工程中也时有造成错误的选型应用。

对于工程人员来说,以上所述的镜头在与摄像机搭配选型时的数项重要参考因素内容至关重要。同样,在镜头工程施工安装上常常出现的问题与错误施作亦不容小视。

镜头技术的环境应用

首先来看在夜视时的技术应用与要求,一般日夜两用摄像机在需要24小时连续监控的道路、机场、港口或学校周界和工厂、住宅大楼、停车场中不休息不断电的使用,因此对于高画质的日夜两用摄像机的成像效果要求也越来越高。日夜两用摄像机的优势,是即使在低照度,甚至没有可见光照明的环境中,仍可运用夜间模式或使用近红外线灯照射监控对象,观察到清晰的图像,并且对监控对象进行识别,但这些都须要一个适合的非球面镜头及镜头中的红外线滤光成像技术的配合。如果只用一般的球面无红线外滤光镜头,安装在日夜两用摄像机上,在夜间模式时,由于成像焦距无法集中且会产生色差的问题,使得影像产生焦距偏移,无法获得到清晰的图像。

为了克服这个问题,使镜头能够适用于日夜两用型摄像机,需要从可见光区域到近红外线区域的范围内,尽量减少色差。对镜头而言,焦距越长,色差的补偿就越困难;若在可见光区域和近红外线区域上的色差增大,焦距偏焦也就越明显。因此必须采用非球面镜片技术机低色散光学镜片来抑制这样的焦距偏移及色差。采用了此非球面镜片成像技术,就可以进行日夜间的监控模式或白天为彩色图像夜间为黑白模式的Day/Night切换,也能将焦距偏移问题控制到无形,达到日夜24小时连续监控的应用要求。除此之外,由于IR日夜两用镜头的波长范围较大,因此须注意透光率带来的光斑问题,慎重的对镜头镀膜效果做好预先的适用检视及挑选。

镜头技术在摄像机透光口径的关系应用

监控用镜头及摄像机为了满足夜视低照度的监控需求,很多厂商开始制造灵敏更高的低照度摄像机,并且在Sensor与镜头搭配朝向大口径发展,就是透过降低镜头的口径F值以提高进光量,让镜头可以使摄像机发挥低照度的功能。

但值得一提是镜头的F值,是会随着镜头口径的增加,且是成反比地减小,F值越小,性能越好。而为了得到较大的镜头进光量,有时会透过增加镜头的口径r及长度,以得到更小的F值,从而提高镜头的性能。这是镜头技术上一种普遍的应用。但由于监控摄像机受到设计及应用,还有安装场所的因素限制,体积日益朝小型化发展,镜头本身也跟着必须要更加小巧,这也使得在镜头口径设计上开始朝更加大去设计。更值得注的是要设计出更小的镜头F值,势必要增加补偿像差的设计,这是一个镜头技术应用上的难点,因为产生像差会让镜头光学性能产生变化变形成像及外型此寸的增加。还好在这部分抑制性能变形及外形尺寸的增加,可以采用非球面透镜设计来解决,以有效补偿像差、实现小型化设计。以目前市面上的各种焦距手动变焦镜头,就是因应这种需求而生,目前的镜头体积与口径不断的加大,F1.0甚至更大都已存在可能。

镜头技术在摄像机成像大小的关系应用

监控的摄像机角度涵盖大小与镜头成像技术绝对是息息相关的,近来在影像高清化的口号下,监控广角化也成了监控摄像机架设的考察重点,但这不是摄像机能完全承担的问题,过去在很多如出入门口、梯间、公交车上、地铁上及电梯内和银行柜员机区等狭小场所装设摄像机,都有无法完全涵盖所要景物的窘境,往往必须架设更多摄像机,才能达成监控无死角的要求,然而镜头的成像技术改良,目前的技术只需用一台广角摄像机,就可以覆盖所有获监控画面要求。不过,在追求广角化的同时,要注意避免随之而来的问题,例如前镜片口径增大后摄像机外型尺寸跟着变大、图像变形及失真率过高等问题,这些都是镜头技术与成像关系上要小心的部分,但还好的是,镜头技术相对也在广角镜头加上多重焦距及手动变焦的技术产品上发展来解决这些应用问题。

镜头技术在影像高清化的应用

监控在百万像素镜头的需求已是一个既定的事实,不管是用于任何一种行业应用,除了摄像机的影像感光器在往高清影像趋势前进外。而为能真正了取得清晰细致的高清影像,从200万到300万,甚至500万像素的百万像素镜头都以正式商品化上市应用。但目前仍然存在一个问题,就是对于高倍数变焦镜头部分,应用于高速球的部分,由于机芯模块的伸缩镜片组是否也兼具有非球面的高透光率镜片,仍然众说纷纭,甚至在部分实测下,结果证明百万高清的高速球在跟同样条件的高清百画枪机比较下,其影像清晰度的效果仍然是有明显差异的。

此外,仿真监控摄像机的分辨率,在960H的芯片问世后,解晰度与辨识率也从过去的540TVL,提升到700TVL。因此镜头的高清技术为了配合这些高画质摄像机的产生也自燃异在技术发展上由原来最大200万画素一举突破发展到500万像素的技术程度。再者随着CMOS Sensor感光组件的像素的不断的飙高,使得画素点Pixel的尺寸也随之变小,因此镜头的画素转换力MTF(ModulationTransferFunction);也就是将原摄取光学成像传送的成为像素的镜头分辨率与反差呈现为解晰度能力方面的频率数值也跟着必须变大,才能解析分辨出更加细微的对应线条TVL(TV Line)。为能有效发挥高画素的性能,这些镜头不仅在画面中心,甚至是画面边缘,也都拥有高分辨率、高对比度。同时,监控镜头在成像技术上不仅降低了失真,现在的制造技术还兼具有防震、防撞的坚固结构,以及防止发生误触焦距偏移的固定旋钮等,可以说在技术整体上,监控镜头已在结构与应用技术上都比过去镜头改良进步不少。

监控高清化已是这几年来明显的趋势,监控应用市场对镜头的功能要求及应用需求也越来越高,加上摄像机在高清的发展上一直领先镜头的发展,在今年才看到镜头在夜视及透雾等新的应用技术上追了上来,也让监控应用在镜头搭配上不再像前二年那样捉襟见肘,看来这是高清监控之福。
 


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