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安防视频监控里常用的摄像镜头有哪些?


视频监控系统常用的光学镜头有许多种,且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,才能更加灵活地选用它。

一、固定光圈定焦镜头

这是相对简单的一种镜头,该镜头上只有一个可手动调整的对焦调节环(环上有的标有若干距离参考值),左右旋转该调节环,可使成在CCD或CMOS摄像机的光敏面上的像最为清晰,此时在监视器屏幕上得到的图像也最为清晰。
由于镜头是固定光圈,因此在镜头上没有光圈调节环,即镜头的光圈是不可调整的,因而进入镜头的光通量,不能通过改变镜头的因素而改变,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。显然,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。若用在其他场合,则需要与带有自动电子快门功能的CCD或CMOS摄像机合用(市面上绝大多数的CCD或CMOS摄像机均带有自动电子快门功能),通过对电子快门的调整,可以模拟光通量的改变。
由于这种固定光圈定焦镜头的结构简单,因此它的价格是最便宜的。

二、手动光圈定焦镜头

它比固定光圈定焦镜头多增加了一个光圈调节环,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。但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,位置也就固定下来了,再去频繁地调整光圈就不那么现实了。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要与带有自动电子快门功能的CCD或CMOS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,也可通过电子快门的调整,来模拟光通量的改变。
这种镜头的结构也相对简单一些,因此其价格相对也比较便宜,在监控工程中应用较多。

三、自动光圈定焦镜头

自动光圈定焦镜头相当于在手动光圈定焦镜头的光圈调节环上增加一个由齿轮啮合传动的微型电机,并从其驱动电路上引出3或4芯的屏蔽线,接到摄像机的自动光圈接口座上,因此在结构上有比较大的改变,其外形如图1所示。

图1 自动光圈镜头

自动光圈镜头的工作原理是:当进入镜头的光通量变化时,CCD或CMOS摄像机的感光面上产生的电荷也相应发生变化,使得视频信号电平或其整流滤波后的平均电平发生变化,从而产生一个控制信号。这个控制信号通过自动光圈接口座上的3或4芯线,传送给自动光圈镜头内的微型电机,去相应做正向或反向转动,从而调整光圈的大小。
由图1可见,在自动光圈镜头上一般还有两个以防尘塞盖住的内藏式调节旋钮,其中一个是电平设定旋钮,一般以LEVEL标注,并在该旋钮的下方左右两侧分别标注L(电平低)和H(电平高)字样;另一个是自动电平控制旋钮,一般以ALC标注,并在该旋钮的下方左右两侧分别标注P(峰值)和A(平均值)字样。
若监视器上画面的整体亮度过亮或过暗,或出现忽明忽暗时,就要调节自动光圈镜头内部的一个可变电阻器——电平设定旋钮LEVEL»如画面过亮,可将该旋钮按逆时针方向旋向L(Low);反之则按顺时针方向旋向H(High);如果是忽明忽暗的情况,则还要配合监视器的调整,将该旋钮旋到使监视器上画面最佳的位置。以上调节,实际上是调节从摄像机输出到镜头放大电路的视频信号的电平,即使该电平在0.5Lp~1.0S,内变化。输入到镜头内部电路的视频信号可以是含同步信息的复合视频信号,也可以是不含同步信息的纯视频信号。

图2 自动光圈镜头的遥控功能

当需要用遥控装置调节视频信号电平时,可以按图2(a)所示的方法进行连接,图中的开和闭的方向,即分别对应于镜头上的H和L。
若监视器上的画面出现极高的对比度时,就需要慢慢地把ALC可变电阻从平均位置A(Average),即调节视频信号的平均电平的高低而输出的控制光圈电机的信号,旋向峰值位置P(Peak)面为止。ALC功能的设定也可以用遥控装置来完成,如Computar的T10Z0612AMS和H10Z0812AMS等自动光圈镜头就可按图2(b)的电路进行调节。值得一提的是,并不是所有的自动光圈镜头都具有上述的遥控功能。
在实际使用时,一定要注意正确地接线,一般都是红线接电源正,黑线接地。如果接错线,可能会导致镜头的误动作,并可能造成镜头永久性地损坏。
自动光圈镜头又分为含放大器与不含放大器两种规格;对含有放大器的自动光圈镜头,应与摄像机后面的VIDEOIRIS端口相接;对于不带放大器的自动光圈镜头,则应与摄像机后面的DCIRIS端口相接。
值得提出注意的是,当把LEVEL顺时针方向完全旋转时,应保证使摄像机输出幅度不饱和;否则,光圈伺服电路将不能操作。此外,当不需遥控时,应保证遥控线开路。当切断电源时,光圈应自动关闭。
由于自动光圈定焦镜头增加了光圈自动控制部分,因此其价格,一般要比同等参数的手动光圈镜头的价格高一倍多。

四、手动变焦镜头

手动变焦镜头有一个可手动变化的焦距调节环,它可以在一定范围内调节镜头的焦距,其变化一般为2~3倍,焦距一般为3.6~8mm或4~10mm。在实际的工程应用中,通过手动调节镜头的变焦环,可方便地选择被监视现场的视场角,如可选择对整个房间的监视或者选择对房间内某个局部区域的监视等。有的镜头焦距的变化可达到6倍,如Computar的H6Z0812镜头的焦距变化范围扩展到8~48mm,因而可适用于更广泛的应用环境。
在视频监控系统工程应用中,当摄像机安装位置固定下来后,再频繁地手动变焦是不现实的。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。所以,这种手动变焦镜头的主要应用是:
•用在对视场要求较为严格而用定焦镜头又不易满足要求的场合;
•用在照片底片分析、文件微缩等桌面近距离摄像工作环境之中。
手动变焦镜头中也有带自动光圈的镜头,如精工的SSV0408G,TAMRON的A16-12和computar的H6Z08I2AIVD等,其自动光圈部分的原理和操作与自动光圈定焦镜头的原理与操作完全一样。

五、自动光圈电动变焦镜头(电动两可变镜头)

自动光圈电动变焦镜头与前述的自动光圈定焦镜头相比,多了两个微型电机;其中一个电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。值得提出的是,所谓电动两可变镜头,实际也是三可变的,只不过这里的光圈调节是自动进行的,这就是同电动三可变镜头的区别。
变焦镜头是通过移动其内部镜片间的相对位置来改变其焦距,而同时又能保持聚焦图像的清晰,其结构如图3所示。

图3 变焦镜头的构造

在变焦镜头中,至少包括三组镜片。
(1)前聚焦物镜组:它上面连接可用来调节图像聚焦的调节环,以调节图像的聚焦,但其可移动的范围有限。
(2)中间的变焦镜片组:它与外部的变焦调节环相连,可以进行阶度细微的调节。这组镜片中还包括矫正镜片,用来保证整个变焦范围内的图像清晰度。矫正镜片的移动幅度较小,它可以补偿因镜头焦距变化而引起的聚焦不清的现象,以保证落到传感器上的图像保持清晰锐利。这样就大大减轻了聚焦调节的工作量。
(3)后固定中继镜片组:它靠近摄像机一端与光圈调节环相连,因此它的调节将决定落在摄像机传感器上的图像的大小。电动两可变镜头这一部分就属于自动调节。
通常,每个镜片组都由几个镜片组成。当变焦组调节到合适的位置时,可以接收到物镜组产生的图像,并将其转换成新的图像。中继组从变焦组接收到图像后,随即将其传递给摄像机传感器。在设计精良的变焦镜头中,广角状态下可以看得很清楚的场景,在调整的过程中及调到望远状态后,仍然能保持良好的聚焦。
电动两可变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,一般与镜头控制器相连(通常镜头控制器与云台控制器是做在一起的,其原理在控制系统中详述)。当操作远程控制室内的镜头控制器上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机上,使镜头完成变焦及对焦调整功能。由于电动两可变镜头的镜片组数增多,电机也增多,其体积也相应增大,加上光圈调节是自动的,因此,这种镜头的价格贵。

六、电动三可变镜头

电动三可变镜头与前述的电动两可变镜头结构相差不多,只是将对光圈调整电机的控制由自动控制方式改为由控制器来手动控制,因此它需要引出一组6芯控制线与镜头控制器相连。常见的有6倍、10倍、12倍、15倍和20倍等几种规格,如精工的SL-08551M与Computar的H6Z0812M等。
电动三可变镜头中的电子部分除了电路板外,还有三只电机、离合器和行程限位开关(用来保护镜头,限制变焦、聚焦和光圈调节部件的活动范围),如图4所示。

图4 电动变焦镜头电路

由于各厂家的镜头控制线尚未有统一的标准,在连接电动镜头时一定要参考厂家的接线图。图4是变焦、聚焦和光圈调节系统的典型连线图,变焦电机、聚焦电机和光圈控制电机都是由镜头控制器送来的正负直流电压来控制的。
电动三可变镜头的变焦功能,使得我们既可以观察到场景的全貌,又可以观察到某个目标的细节。变焦镜头的焦距可以平滑、连续地调节,从而可以改变摄像头的视场角的大小。因此,场景就可以被“拉近”或被“推远”,好像摄像机发生了移动一样。
这种变焦镜头可使摄像机的视场范围,在不更换镜头的前提下任意调整。因为镜头中多个镜片之间的相互位置发生变化时,其焦距就可以连续变化,从而引起摄像机的视场角和放大倍数的变化。通过旋动变焦调节环,我们可以随意观察狭角、中角或广角的场景。一般,都会先在广角模式下观察场景的全貌,再使用望远模式观察我们最感兴趣的目标。
为了进一步扩大变焦镜头的视场范围,通常将摄像机和镜头安装到云台上面,然后在控制室内控制这些设备。控制云台可以调节摄像头的指向,控制镜头又可以调节放大倍数等,这就使整个系统具有了很大的动态观察范围。
一般,变焦镜头的变焦倍数多在6~44倍之间。有些功能较复杂的镜头,还可以存储遥控时需要使用的预置位,如特定的焦距、聚焦位置和光圈值等。