《光学镜头概述和选用(金星机电)课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学镜头概述和选用(金星机电)课件（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光学镜头概述和选用,售后服务部,2020/9/18,培训内容,一、镜头简介 二、镜头成像影响因素 三、镜头参数 四、镜头分类 五、摄像机镜头选型方法 六、镜头焦距的确定 七、实例 八、使用注意事项,2020/9/18,一、镜头简介,摄像机镜头是视频监视系统的最关键设备，它的质量（指标）优劣直接影响摄像机的整机指标，因此，摄像机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。,镜头与CCD摄像机配合，可以将远距离目标成像在摄像机的CCD靶面上。 它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。 当人眼的肌肉
2、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。,二、镜头成像影响因素,镜头分不同类型，但即使对于同一类型的镜头，其成像质量也有着很大的差异，这主要是由于材质、加工精度和镜片结构的不同等因素造成的，同时也导致不同档次的镜头价格从几百元到几万元的巨大差异。,对于镜头设计及生产厂家，一般用光学传递函数OTF（Optical Transfer Functi
3、on）来综合评价镜头成像质量，光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息，光学系统在传递被摄景物信息时，被传递之各空间频率的正弦波信号，其调制度和位相在成实际像时的变化，均为空间频率的函数，此函数称为光学传递函数。OTF一般由调制传递函数MTF（Modulation Transfer Function）与位相传递函数PTF（Phase Transfer Function ）两部分组成。,像差是影响图像质量的重要方面，常见的像差有如下六种： 球差，慧差，像散，场曲，色差，畸变。 我们在评价镜头质量时一般还会从分辨率、明锐度和景深等几个实用参数判断：,分辨率（Resolution）：又称鉴别率、解像力，
4、指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力，制约镜头分辨率的原因是光的衍射现象，即衍射光斑（爱里斑）。分辨率的单位是“线对/毫米“ （lp/mm）。 镜头分辩率指的是在像平面处1毫米内能分辨开的黑白相间的线条对数 。 明锐度（Acutance）：也称对比度，是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。,景深（DOF)： 1）概念 在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆叫做弥散圆。如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定范围内实际影象产生的模糊是不能辨认的。 这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆。在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主
5、体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。换言之，被摄体的前后纵深，呈现在底片面的影象模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内。,以持照相机拍摄者为基准，从焦点到近处容许弥散圆的的距离叫前景深，从焦点到远方容许弥散圆的距离叫后景深。 2）影响因素 景深随镜头的焦距、光圈值、拍摄距离而变化。,对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大。,这些主要因素对景深的影响如下(假定其他的条件都不改变)：(1)、镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；(2)、镜头焦距镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；(3)、拍摄距离距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。,超焦距:物距的大小
6、也影响景深，一般物距越大景深也越大，通常在一个特定的物距之后到无限远的物体都可以清晰成像（具体物距由镜头的焦距和通光孔径决定，当然控制光圈的大小也可以决定这个物距的具体大小），这段景深称之为“超焦距”。,最大相对孔径与光圈系数：相对孔径，是指该镜头的入射光孔直径（用D表示）与焦距（用f表示）之比，即：相对孔径D/ f 。相对孔径的倒数称为光圈系数（aperture scale），又称为f/制光圈系数或光孔号码。一般镜头的相对孔径是可以调节的，其最大相对孔径或光圈系数往往标示在镜头上，如1:1.2或f/1.2 。如果拍摄现场的光线较暗或曝光时间很短，则需要尽量选择最大相对孔径较大的镜头。,三、镜
7、头参数,镜头的光学特性包括成像尺寸、焦距、相对孔径和视场角等几个参数，一般在镜头所附的说明书中都有注明，以下分别介绍。,成像尺寸 镜头一般可分为25. 4mm（lin）、16. 9mm（2/3in）、12. 7mm（1/2in）、8.47mm（1/3in）和6.35mm（1/4in）等几种规格，它们分别对应着不同的成像尺寸，选用镜头时，应使镜头的成像尺寸与摄像机的靶面尺寸大小相吻合。表1-1列出了几种常见CCD芯片的靶面尺寸，表中单位为mm。,表1-1 几种常见CCD芯片的靶面尺寸,由表1-1可知，12. 7mm（1/2in）的镜头应配12. 7mm（1/2in）靶面的摄像机，当镜头的成像尺寸
8、比摄像机靶面的尺寸大时，不会影响成像，但实际成像的视场角要比该镜头的标称视场角小（参见图1-1），而当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸小时，就会影响成像，表现为成像的画面四周被镜筒遮挡，在画面的4个角上出现黑角（参见图1-1）。,(1)镜头成像尺寸比CCD靶面尺寸大 (2)镜头成像尺寸比CCD靶面尺寸小 图1-1 镜头成像尺寸与CCD靶面尺寸的关系,2.焦距 焦距-透镜中心或其第二主平面到图像聚集点处的距离。单位一般为毫米或英寸。,当已知被摄物体的大小及该物体到镜头距离，则可根据下两式估算所选取配镜头的焦距： f=w D/W f=h D/H f：镜头焦距, 单位：毫米 w：图象的宽度（被摄物体
9、在ccd靶面上成象宽度），单位：毫米W：被摄物体宽度，单位：米D：被摄物体至镜头的距离，单位：米h：图象高度（被摄物体在ccd靶面上成像高度），单位：毫米H：被摄物体的高度，单位：米,3.相对孔径 1）相对孔径的概念 控制镜头进光量，需要由镜头的所谓“孔径光阑”(Diaphragm)即光圈来控制。孔径光阑都是位于镜头内部，通常由多片可活动的金属叶片(称为光阑叶片)组成，可以使中间形成的(近似)圆孔变大或者缩小，以达到控制通过光量大小的目的。,对于不同的镜头而言，光阑的位置不同，焦距不同，入射瞳直径也不相同，用孔径来描述镜头的通光能力，无法实现不同镜头的比较。为了方便在实际摄影中计算曝光量和用统
10、一的标准来衡量不同镜头的孔径光阑实际作用，采用了“相对孔径”的概念。 相对孔径 = 镜头焦距 / 入射瞳直径 = f/d 比如某个镜头的焦距为50mm，入射瞳直径为25mm，那么该镜头的相对孔径就是50/25=2。 通常表示相对孔径的办法是在相对孔径前面加入f/，比如f/1.4、f/2、f/2.8等，也有用1:2来表示f/2的。通常镜头标记上用类似1:2的方式更多些。,在实际使用中，很少使用“相对孔径”的称呼，通常都是用“光圈系数(f-Stops)”来称呼，简称“光圈”或者“f-系数”。 在镜头的标记上，通常都是标记镜头的最大光圈系数，现在标记镜头的相对孔径都是用了一系列标准化的数值： f/1
11、 f/1.4 f/2 f/2.8 f/4 f/5.6 f/8 f/11 f/16 f/22 f/32 f/45 f/64，可以看到：每一个数值都与相邻数值有一个的关系，表明后一个数值的通光量为前面一个的一半，前一个数值的通光量是后面一个的两倍。 根据圆面积的计算公式，镜头通过的光量与f系数的平方成反比。比如：f/5.6的通光量是f/4的一半；是f/8的两倍。,由于采用了这样的标准化方式，对于不同的镜头，在快门速度不变的情况下，只要f-系数的相同，曝光量就是相同的。上面表格中从前一个数字变化到后面一个数字，称“f-系数变化一档”，从前面数字变化到后面数字(就是增大f-系数)，称为“缩小/收缩光圈
12、”；反之，称为“增大/开大光圈”。 在镜头上，有光圈调节环，用来控制实际拍摄的光圈。,2）光圈的作用 1、控制进光量： 由于光圈控制镜头进光量的作用，在暗弱的光线下拍摄，需要使用大光圈镜头，以获得更多的光量；而在明亮的场合，则使用小光圈不至于曝光过度。总之，可以通过光圈的调节，达到准确曝光的目的。 2、控制景深： 光圈的作用除了控制进光量外，另外一个很重要的作用是控制拍摄画面的景深。 3、控制像质： 由于光学原理和制造成本的限制，摄影镜头在全开光圈时的像质并不是最佳的，通常在收缩光圈后，像质有明显的改善。,不同的镜头，最佳光圈的位置也不尽相同。一般而言：最佳光圈出现在最大光圈收缩2档或者3档的
13、位置。比如最大光圈为f/2.8的镜头，最佳光圈为f/5.6或者f/8。这也是使用自动光圈镜头的一个原因。 自动光圈-镜头内的隔膜装置，可根据电视摄像机传来的视频信号自行调节，以适应光照强度的变化。光圈隔膜通过打开或关闭光圈来控制通过镜头传送的光线。典型的补偿范围是10000-1到300000-1。,4.视场角 镜头有一个确定的视野，镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角。视场角与镜头的焦距f及摄像机靶面尺寸（水平尺寸h及垂直尺寸v）的大小有关，镜头的水平视场角ah及垂直视场角av可分别由下式来计算，即 ah=2arctg（h/2f） av=2arctg（v/2f） 由以上两式可知，镜头的焦
14、距f越短，其视场角越大，或者，摄像机靶面尺寸h或v越大，其视场角也越大。,图1-2 不同焦距镜头所对应的视场角,5.接口 镜头和摄像机之间的接口有许多不同的类型，工业摄像机常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口，M12接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。,C接口和CS接口是工业摄像机最常见的国际标准接口，为1英寸32UN英制螺纹连接口，C型接口和CS型接口的螺纹连接是一样的，区别在于C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm。所以CS型接口的摄像机可
15、以和C口及CS口的镜头连接使用，只是使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈；C型接口的摄像机不能用CS口的镜头。图1-3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。,图1-3 C型安装和CS型安装镜头,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。,百万象素镜头,50万象素镜头,5mm接圈,四、镜头分
16、类,以摄像机镜头规格分类 以镜头焦距分类 以镜头光圈分类 以镜头的视场大小分类 以镜头安装分类 以镜头透过光线分类,1.以摄像机镜头规格分类,摄像机镜头规格应视摄像机的尺寸而定，两者应相对应。 如果镜头尺寸与摄像机靶面尺寸不一致时，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。,2.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。,1)定焦距：焦距固定不变，可分为有光圈和无光圈两种。 有光圈：镜头光圈的大小可以调节。根据环境光照的变化，应相应调节光圈的大小。光圈的大小可以通过手动或自动调节。人为手工调节光圈的，称为手动光圈；镜头自带微型电机自动调整光圈的，称为自动光圈。 无光圈：即定光圈，其通光量是固定不变的。主要用光源恒定或摄像机自带电子快门的情况。 2)变焦距：焦距可以根据需要进行调整，使被摄物体的图像放大或缩小。常用的变焦镜头为六倍、十倍变焦。 三
