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光学镜头的选择及主要参数

新闻来源：未知发布时间：2011/6/24 9:42:15

摄像头镜头是视频监视系统的最关键设备，它的质量（指标）优劣直接影响摄像头的整机指标，因此，摄像头镜头的选择是否恰当既关系到系统质量，又关系到工程造价。
显微镜镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与我们家用摄像头和照相机的原理是一致的。当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物就变得模糊不清；摄像头与显微镜镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像头的后焦点，改变CCD芯片与镜头基准面的距离（相当于调整人眼晶状体的位置），可以将模糊的图像变得清晰。由此可见，镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。
工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道：设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距，施工人员经常进行现场调试，其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。
1、镜头的分类

按外形功能分	按尺寸大小分	按光圈分	按变焦类型分	按焦距长矩分
球面镜头	1”25mm	自动光圈	电动变焦	长焦距镜头
非球面镜头	1/2”3mm	手动光圈	手动变焦	标准镜头
针孔镜头	1/3”8.5mm	固定光圈	固定焦距	广角镜头
鱼眼镜头	2/3”17mm

(1) 以镜头安装分类所有的摄像头镜头均是螺纹口的，CCD摄像头的镜头安装有两种工业标准，即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。
C安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm。
CS安装座：特种C安装，此时应将摄像头前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是12.5mm。如果要将一个C安装座镜头安装到一个CS安装座摄像头上时，则需要使用镜头转换器。
(2) 以摄像头镜头规格分类摄像头镜头规格应视摄像头的CCD尺寸而定，两者应相对应。即摄像头的CCD靶面大小为1/2英寸时，镜头应选1/2英寸。摄像头的CCD靶面大小为1/3英寸时，镜头应选1/3英寸。摄像头的CCD靶面大小为1/4英寸时，镜头应选1/4英寸。如果镜头尺寸与摄像头CCD靶面尺寸不一致时，观察角度将不符合设计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。
(3) 以镜头光圈分类镜头有手动光圈（manual iris）和自动光圈（auto iris）之分，配合摄像头使用，手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合，自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整，故适用亮度变化的场合。
自动光圈镜头有两类：一类是将一个视频信号及电源从摄像头输送到透镜来控制镜头上的光圈，称为视频输入型，另一类则利用摄像头上的直流电压来直接控制光圈，称为DC输入型。自动光圈镜头上的ALC（自动镜头控制）调整用于设定测光系统，可以整个画面的平均亮度，也可以画面中最亮部分（峰值）来设定基准信号强度，供给自动光圈调整使用。
一般而言，ALC已在出厂时经过设定，可不作调整，但是对于拍摄景物中包含有一个亮度极高的目标时，明亮目标物之影像可能会造成"白电平削波"现象，而使得全部屏幕变成白色，此时可以调节ALC来变换画面。
另外，自动光圈镜头装有光圈环，转动光圈环时，通过镜头的光通量会发生变化，光通量即光圈，一般用F表示，其取值为镜头焦距与镜头通光口径之比，即：F＝ f（焦距）/D（镜头实际有效口径），F值越小，则光圈越大。
采用自动光圈镜头，对于下列应用情况是理想的选择，它们是：在诸如太阳光直射等非常亮的情况下，用自动光圈镜头可有较宽的动态范围。要求在整个视野有良好的聚焦时，用自动光圈镜头有比固定光圈镜头更大的景深。要求在亮光上因光信号导致的模糊最小时，应使用自动光圈镜头。
(4) 以镜头的视场大小分类标准镜头：视角30度左右，在1/2英寸CCD摄像头中，标准镜头焦距定为12mm，在1/3英寸CCD摄像头中，标准镜头焦距定为8mm。
广角镜头：视角90度以上，焦距可小于几毫米，可提供较宽广的视景。
远摄镜头：视角20度以内，焦距可达几米甚至几十米，此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大，但使观察范围变小。
变倍镜头（zoom lens）：也称为伸缩镜头，有手动变倍镜头和电动变倍镜头两类。
可变焦点镜头（vari-focus lens）：它介于标准镜头与广角镜头之间，焦距连续可变，即可将远距离物体放大，同时又可提供一个宽广视景，使监视范围增加。变焦镜头可通过设置自动聚焦于最小焦距和最大焦距两个位置，但是从最小焦距到最大焦距之间的聚焦，则需通过手动聚焦实现。
针孔镜头：镜头直径几毫米，可隐蔽安装。
(5) 从镜头焦距上分短焦距镜头：因入射角较宽，可提供一个较宽广的视野。
中焦距镜头：标准镜头，焦距的长度视CCD的尺寸而定。
长焦距镜头：因入射角较狭窄，故仅能提供狭窄视景，适用于长距离监视。
变焦距镜头：通常为电动式，可作广角、标准或远望等镜头使用。

2、选择镜头的技术依据
(1) 镜头的成像尺寸应与摄像头CCD靶面尺寸相一致，如前所述，有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸等规格。
(2) 镜头的分辨率描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变，但对用户而言，需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率，以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位，计算公式为：
镜头分辨率N＝180 / 画幅格式的高度。
由于摄像头CCD靶面大小已经标准化，如1/2英寸摄像头，其靶面为宽6.4mm*高4.8mm，1/3英寸摄像头为宽4.8mm*高3.6mm，因此对1/2英寸格式的CCD靶面，镜头的最低分辨率应为38对线/mm。对1/3英寸格式摄像头，镜头的分辨率应大于50对线，摄像头的靶面越小，对镜头的分辨率越高。
(3) 镜头焦距与视野角度首先根据摄像头到被监控目标的距离，选择镜头的焦距，镜头焦距f 确定后，则由摄像头靶面决定了视野。
(4) 光圈或通光量镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量，以F为标记，每个镜头上均标有其最大的F值，通光量与F值的平方成反比关系，F值越小，则光圈越大。所以应根据被监控部分的光线变化程度来选择用手动光圈还是用自动光圈镜头。

3、变焦镜头（zoom lens）
变焦镜头有手动伸缩镜头和自动伸缩镜头两大类。伸缩镜头由于在一个镜头内能够使镜头焦距在一定范围内变化，因此可以使被监控的目标放大或缩小，所以也常被成为变倍镜头。典型的光学放大规格有6倍（6.0~36mm，F1.2）、8倍（4.5~36mm，F1.6）、10倍（8.0~80mm，F1.2）、12倍（6.0~72mm，F1 .2）、20倍（10~200mm，F1.2）等档次，并以电动伸缩镜头应用最普遍。
为增大放大倍数，除光学放大外还可施以电子数码放大。在电动伸缩镜头中，光圈的调整有三种，即：自动光圈、直流驱动自动光圈、电动调整光圈。其聚焦和变倍的调整，则只有电动调整和预置两种，电动调整是由镜头内的马达驱动，而预置则是通过镜头内的电位计预先设置调整停止位，这样可以免除成像必须逐次调整的过程，可精确与快速定位。在球形罩一体化摄像系统中，大部分采用带预置位的伸缩镜头。
另一项令用户感兴趣的则是快速聚焦功能，它由测焦系统与电动变焦反馈控制系统构成。

4、镜头与摄像头CCD尺寸的关系1/2"镜头既可用于1/2"摄像头，也可用于1/3"摄像头，但视角会减少25%左右。1/3"镜头不能用于1/2"摄像头，只能用于1/3"摄像头。

5、镜头的主要性能指标有以下几个：
(1) 焦距焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是有一个大的观测范围重要，如果要看细节，就选择长焦距镜头；如果看近距离大场面，就选择小焦距的广角镜头。
(2) 光阑系数即光通量，用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。
(3) 自动光圈镜头自动光圈镜头目前分为两类：一类称为视频（VIDEO）驱动型，镜头本身包含放大器电路，用以将摄像头传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制。
(4) 变倍镜头变倍镜头分为手动（MANUAL ZOOM LENS）和电动（AUTO ZOOM LENS）两种，手动变倍镜头一般用于科研项目而不用在闭路监视系统中。

6、视场和焦距的计算视场指被摄取物体的大小，视场的大小是以镜头至被摄取物体距离，镜头焦头及所要求的成像大小确定的。
(1) 焦距的计算镜头的焦距，视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下：
f=wL/W
f=hL/h
f；镜头焦距w：图象的宽度（被摄物体在CCD靶面上成象宽度）
W：被摄物体宽度L：被摄物体至镜头的距离
h：图象高度（被摄物体在ccd靶面上成像高度）视场（摄取场景）高度
H：被摄物体的高度
CCD靶面规格尺寸：单位mm

规格	1/3"	1/2"	2/3"	1"
W	4.8	6.4	8.8	12.7
H	3.6	4.8	6.6	9.6

由于摄像头画面宽度和高度与电视接收机画面宽度和高度一样，其比例均为4:3，当L不变，H或W增大时，f变小，当H或W不变，L增大时，f增大。
举例：假设用1/2”CCD摄像头观测，被测物体宽440毫米，高330毫米，镜头焦点距物体2500毫米。
由公式可以算出：由公式可以算出：
焦距f=6.4 * 2500 / 440≈36毫米或焦距f=4.8 * 2500 / 330≈36毫米当焦距数值算出后，如果没有对应焦距的镜头是很正常的，这时可以根据产品目录选择相近的型号，一般选择比计算值小的，这样视角还会大一些。
(2) 视场角的计算如果知道了水平或垂直视场角便可按公式计算出现场宽度和高度。
W=2LtanQw/2 ( Qw：水平视角)
H=2LtanQh/2 ( Qh：垂直视角)
水平视场角Qw（水平观看的角度）
Qw =2tg-1(W/2L) Qw =2tg-1(W/2L)
垂直视场角Qh（垂直观看的角度）
Qh =2tg-1(H/2L)
視場由寬（W）、高（H）和與攝像頭的距離（L）決定，一旦決定了攝像頭要監視的景物，正確地選擇鏡頭的焦距就由來3個因素決定：视场由宽（W）、高（H）和与摄像头的距离（L）决定，一旦决定了摄像头要监视的景物，正确地选择镜头的焦距就由来3个因素决定：
l 欲监视景物的尺寸
l 摄像头与景物的距离
l 摄像头成像器的尺寸

7、选配镜头的原则
为了获得预期的摄像效果，在选配镜头时，应着重注意六个基本要素：(1)被摄物体的大小；(2) 被摄物体的细节尺寸；(3) 物距；(4)焦距；(5) CCD摄像头靶面的尺寸；(6) 镜头摄像系统的分辩率

本文由上海光学仪器厂北京分公司原创

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