1、视频监控系统模块四光学成像光学成像把现实空间的物体成像于把现实空间的物体成像于图像传感器件的感光靶面中。图像传感器件的感光靶面中。光学成像过程 理想光组是指光组能在任意大的空间内、用任意宽的光束成完整的像。理想光组的基本性质：（1）点成点像 图中的A与A、B与B点一一对应。对于物空间的任何一个点，在像空间中必有一个点与之对应，而且只有一个点与之对应。通常把这两个对应点称为共轭点。2理想光学系统的基本点、面（1）焦点和焦面焦点指与光轴上无穷远的物点共轭的像点，记作F。过焦点F且垂直于光轴的像平面称为像方焦面。（2）焦距焦距是指主点到焦点的距离。其中，物方主点H到物方焦点F之间的距离称为物方焦距，
2、记为f；像方主点H 到像方焦点F 之间的距离称为像方焦距，记为f。3理想光学系统的物像关系理想光学系统的物像关系，既可以通过作图法来求解，也可以通过解析法来求解。理想光学系统的作图求像如图所示，此方法简单、直观，而解析分析方法的计算结果较精确。4光束限制光学系统中限制光束的因素主要有光阑、渐晕、焦深和景深等。（1）光阑光阑由光学零件的镜框或加入专门的带孔金属板等构成，其对称中心一般都在系统的光轴上。光阑的作用是改善系统的成像质量，决定通过系统的光能，拦截系统中有害的杂散光等。按用途可分为视场光阑、有效光阑、消杂光光阑等。视场光阑视场光阑用以限制系统的成像范围。其对前方系统所成的像称入射窗，对后
3、方系统所成的像称出射窗。有效光阑有效光阑用以限制轴向成像光束孔径的大小，也称孔径光阑。其对前方系统所成的像称入射光瞳，如下图所示。轴外物点B和入射光瞳中心Z的连线称主光线。对于目视光学系统，其最大视场的主光线在像方与光轴的交点处，称为眼点。眼点距离是指眼点到目镜最后一个表面的距离。（4）景深如下图所示，摄像机的镜头一般都要求对一定深度的空间成像，即光学系统应能使距镜头不同距离的各空间物体同时在像平面上成清晰的像。即空间物体在平面上成像的清晰度问题，称为景深问题。容许的光斑直径的大小与光学系统接收器（人眼、感光乳剂、光电器件等）的分辨率有关，也与对象的清晰度要求有关，清晰度要求越低则景深就越大。
4、此外，照相物镜的相对孔径和焦距与景深有关。对照相物镜来说，相对孔径越小（即光圈越小），则景深越大；在相同的条件下，焦距越小（如短焦距的广角镜头），则景深越大。5分辨率分辨率是光学系统的一个重要性能指标，指光学系统刚好能分辨的两物体之间的最小间隔。6变焦距物镜系统对同一摄像系统而言，有时要求拥有长焦距物镜，用来分辨远距离的小目标，有时又要求配备短焦距，以便在一个较大的视场中摄取一个较大空间的像。变焦距物镜系统的出现满足了上述要求的需要，当摄像物镜系统的焦距及视场在一定范围内改变时，其在CCD靶面上的像面位置保持稳定。镜头的参数镜头是视频监控系统前端设备中的重要部件之一，又称摄像镜头。镜头的参数主
5、要包括：成像尺寸、焦距、相对孔径、视场角等，一般在镜头所附的说明书中都有注明。1 成像尺成像尺寸寸 当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸大时，不会影响成像，如左图所示。而当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸小时，画面的四个角上将出现如右图所示的黑角，原因是成像的画面四周被镜筒遮挡。2.焦距 镜头的焦距为构成镜头的组合光组的焦距，其符号为f，决定摄取图大小。用不同焦距的镜头对同一位置的某物体摄像时，配长焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大，反之亦然。正确选择镜头的焦距，可解决摄像机能看清多么远的物体与看清多么宽的场景的问题。3.相对孔径相对孔径是指镜头的实际有效孔径D与焦距 f 之比，常用相对孔径的
6、倒数来表示镜头光阑的大小，称为光圈，在镜头上标注有1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22等序列值。一般镜头所标的F值均指该镜头的最小光阑数，表示此镜头的最大通光特性。因此，F值越小，说明该镜头的最大通光性越好。4.视场角 视场角指镜头对其确定视野的高度和宽度的张角，符号为，又分为水平视场角h和垂直视场角v。视场角与焦距 f 呈反比，与摄像机靶面的水平和垂直尺寸呈正比。若镜头视场角过小，会造成监控死角；过大又会使监控对象尺寸太小。在实际应用时，需要按照具体的应用环境选择视场角合适的镜头。各类型的镜头镜头的种类有多种，每一种镜头都有其特点，功能与结构也不尽相同，而且价格相差非常大，所
7、以，应该了解各种镜头的特性，以便在实际应用中正确、灵活地选择镜头。1.固定光圈定焦镜头固定光圈定焦镜头是最简单的镜头之一，结构简单，价格便宜。此镜头上只有一个可手动调整的对焦调整环，左右旋转该环可使成在CCD靶面上的像最为清晰。该镜头没有光圈调整环，其光圈不可调。固定光圈定焦镜头一般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。2.手动光圈定焦镜头手动光圈定焦镜头是在固定光圈定焦镜头的基础上增加光圈调整环而成的，价格相对也比较便宜。其光圈调整范围一般可从F1.2（或F1.4）到全关闭。手动光圈定焦镜头光圈的调整是通过手动人为进行，所以当摄像机安装位置固定后，就不能再频繁地调整光圈了
8、，适合在光照度比较均匀的场合使用。3.自动光圈定焦镜自动光圈定焦镜头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或4芯的屏蔽线，接到摄像机的自动光圈接口座上。自动光圈定焦的原理当进入镜头的光通量变化时，摄像机CCD靶面上产生的电荷量也相应地发生变化，使得视频信号电平或其整流滤波后的平均电平发生变化，产生一个控制信号，并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，使镜头内的微型电动机相应地做正向或反向转动，从而调整光圈的大小。4.手动变焦镜头 手动变焦镜头有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距，其变比一般为2
9、3倍，焦距一般在3.68 mm。带自动光圈的手动变焦镜头有直流驱动和视频驱动两类。实际应用时，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。若对监视现场的环境情况不熟悉，就有必要采用此镜头。对大多数视频监控系统而言，手动变焦镜头一般用在以下两种场合。（1）对视场要求较为严格，且用定焦镜头又不易满足要求的场合。（2）在照片底片分析、文件微缩等桌面近距离摄像工作环境中。5.自动光圈电动变焦镜头自动光圈电动变焦镜头自动光圈电动变焦镜头是在自动光圈定焦镜头的基础上增加两个微型电动机构成的，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；另一个电动机与镜头的对焦环啮合，当其受
10、控而转动时可完成镜头的对焦。6.电动三可变镜头 电动三可变镜头是在电动两可变镜头的基础上发展起来的，它把光圈调整电动机的控制由自由控制方式改为由控制器手动控制，因此包含三个微型电动机，引出一组6芯控制线与镜头控制器相连。常见的电动三可变镜头有6倍、10倍和12倍等几种规格。7.针孔镜头 针孔镜头的孔径一般仅为1 mm左右，主要用在隐蔽监视的场合。标准型针孔镜头具有较细且很长的镜筒，镜筒前端呈锥形，内有一个微小的“针孔”，其后端则与普通镜头一样，可以方便地与摄像机配接。由于“针孔”很小，因此针孔镜头的相对孔径很小（光阑F数较大），与摄像机配合使用时，透过针孔镜头的光通量也很小，使摄像机的成像质量
11、下降（图像的亮度不够，信噪比变差）。因此，配用针孔镜头的摄像机最好选用低照度型的，并尽可能保证监视场所的光照度。8.一体机专用镜头 一体机专用镜头通常都是自动光圈的变焦镜头，其中很多还具有自动聚焦功能。和其他镜头不同的是，一体机专用镜头没有全封闭的外壳、C或CS接口，一体机专用镜头是一种半成品，都是由一体机生产厂家直接与镜头生产厂家定制或选购，使之与自己生产或组装的CCD或CMOS图像传感器及相应的摄像机电路相匹配，再配以合适的外壳而构成完整的一体化摄像机。镜头的选择与维护（1）应用镜头选择计算尺选择镜头镜头选择计算尺镜头选择计算尺由上、下两个圆盘及一个透明的扇形片组成，圆盘及扇形片上均有刻度
12、，分别标有视场角、被摄物体的水平尺寸及垂直尺寸、镜头的焦距、CCD芯片靶面尺寸及被摄物体距CCD摄像机的距离等参数。使用时，应该先依据某个事先确定的已知量，计算出其他量。例如，确定1/3 in CCD摄像机配用8 mm镜头时的视场角，以及在3 m摄距时被摄物体在监视器屏幕上所占面积的大小：旋转扇形片，使标有1/3 in的CCD靶面尺寸刻度线对准上圆盘上8 mm的焦距刻度线。这时，扇形片上的H线即指明该镜头的水平视场角（约为33），V线则指明镜头的垂直视场角（约为25）；旋转下圆盘，使物距刻度线对准3 m。此时扇形片上H线的下方对应物体尺寸刻度线1.6，表明1/3 in的CCD摄像机在配用8 m
13、m镜头时，可以将3 m远、1.6 m宽的物体摄入监视器；当物距增加到5 m时，摄入物体的宽度可达2.7 m。也可先用该盘选定物距及被摄取物体的大小，最后估算出应配用镜头的焦距。（2）cosmicar.exe应用程序选择镜头图示为镜头厂商专门编制的cosmicar.exe镜头选择应用程序界面。cosmicar.exe应用程序的功能 此程序运行时，若参数输入区输入给定的被监视场景（物体）的大小及其距摄像机的距离，程序会自动给出最佳的镜头选择参数列表，并可以打印输出。若是输入一个选定的镜头，该程序便可将该镜头的所有成像参数给出（如视场角，以及在多远处可以看到多大的场景或物等），并给出成像示意图。当输入光阑指数F时，该程序还可给出景深范围。维护镜头镜头的日常维护应注意以下几点：（1）定期擦拭镜头，以保持其清洁。要使用专用的镜头纸擦拭。在擦拭过程中，注意从中间按顺（或逆）时针方向进行。对有霉变迹象的镜头，应放在专用的镜头液中浸泡一段时间，再用木镊子夹着镜头纸进行擦拭。（2）对于电动镜头，应该定期检查电源电压是否正常。（3）定期检查CS接口是否正常。
