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1、摄像机镜头讲义一、镜头成像的光学原理镜头的概念：用以生成影像的光学部件，由多片透镜组成;(复式镜头由多片凸透镜和凹透镜组成，凸透镜：有聚光的作用，能把外界各种光线汇聚起来，形成一定的影像；凹透镜：没有聚焦成像的功能，但它有校正成像时出现各种相差的功能)所谓光学成像就是指通过光学镜头把现实空间（物空间）的物体成像在图像传感器件的感光靶面（像空间）上。11 光组、理想光组由许多光学零件完成物体光学成像的组合称为光学系统或光组，若光组能在任意大的空间内用任意宽的光束成一完整的像则称该光组为理想光组。12 理想光组的基本性质（1）点成点像 对于物空间的任何一点在像空间必有一个点与之对应而且只有一个点与
2、之对应，称这两个点为共轭点。（2）线成线像对于物空间的任何一条直线在像空间必有一条直线与之对应，而且只有一条直线与之对应，称这两条直线为共轭线。（3）对称轴共轭 物空间和像空间存在着唯一的共轭对称轴。注：一般摄像物镜的光学特性主要由三个参数决定：即焦距f，相对孔径D/f，和视场角2W焦点：于光轴上的无穷远物点共轭的像点称为像方焦点，记为F，与光轴上无穷远像点共轭的物点称为物方焦点，记为F。焦距：主点到焦点的距离为焦距物方主点到物方焦点的距离为物方焦距，记为f。像方主点到像方焦点的距离为像方焦距，记为f。如下图：视场角：镜头都有一个确定的视野，镜头对这个视野的高度或宽度的张角称为视场角。如下图：
3、二、镜头的种类CCTV镜头分类按外形功能分 按尺寸大小分 按光圈分 按变焦类型分 按焦距长短分 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机镜头均是螺纹口的，CCD摄像机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，此时应将摄像机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头
4、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安装座摄像机上时，则需要使用镜头转换器。 下图为两种接口示意图，上半部为CS型镜头，下半部为C型镜头，电视监控系统用镜头C型安装镜头（1in32牙螺纹座）国际公认标准。 安装部位口径为25.4mm(1 in)从镜头安装基准面到焦点距离是17.526mm。镜头C型安装到CS接口的摄像机需增配一个5mm厚的接圈。（2）以摄像机镜头规格分类 摄像机镜头规格应视摄像机的CCD尺寸而定，两者应相对应。即 摄像机的CCD靶面大小为1/2英寸时，镜头应选1/2英寸。 摄像机的CCD靶面大小为1/3英寸时，镜头应选1/3英寸。 摄像机
5、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机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，配合摄像机使用，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机输送到透镜来控制镜头上的光圈，称为视频输入型，另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈，称为输入型。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
6、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，一般用表示，其取值为镜头焦距与镜头通光口径之比，即：f（焦距）/（镜头实际有效口径），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
7、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摄像机中，标准镜头焦距定为12mm，在1/3英寸CCD摄像机中，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
8、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。主要讲下按变焦类型分：光圈：控制进入镜头的光通量。聚焦：使被摄物体在CCD靶面上成像清晰。
9、变焦：光学变倍，看近景（广角Wide）或远景(望远Tele)。 固定光圈定焦镜头固定光圈定焦镜头只有一个可手动调整的对焦调整环（环上标有若干距离参考值），左右旋转该环可成在CCD靶面上的像最为清晰，此时监视器屏幕上得到图像也最为清晰。无光圈调整环，只能改变环境照度来调整光通量。 手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环，调整范围一般可以从F1.2或F1.4到全关闭。能方便适应被摄现场的光照度，这种镜头一般应用于光照度比较均匀的场合。 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了4芯的屏蔽线，接到摄像机
10、的自动光圈接口座上。自动光圈的方式有DC驱动和VIDEO驱动两种，一般常用的为DC驱动自动光圈镜头。（注：1、视频驱动是指摄像机将视频信号电平输出到自动光圈镜头的内部。再由其内部的驱动电路输出控制电压使镜头的光圈调整电动机驱动电路。（驱动在镜头里）2、直流驱动是指摄像机内部增加了镜头光圈电动机的驱动电路。可以直接输出直流控制电压到镜头内的光圈电动机并使其转动。（驱动在摄像机里）3、DC驱动与视频驱动调节自动光圈的效果差不多，但因视频驱动把驱动电路做在镜头里面，所以价格要比DC驱动的贵。） 手动变焦镜头手动变焦镜头的焦距是可变的，它有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距，其变比一般为2
11、-3倍，焦距一般在3.0-8mm。在实际工程应用中，通过手动调节镜头的变焦环，可以方便地选择被监视现场的视场角。手动变焦镜头中也有带自动光圈的镜头，也有直流驱动和视频驱动两类。 自动光圈电动变焦镜头其比自动光圈定焦镜头增加了两个微型电动机，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(Zoom)；另一个电动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)。 电动三可变镜头其与电动两可变镜头结构相差不多，只是将对光圈调整电动机的控制由自动控制方式改为由控制器来手动控制，因此它也包含了三个微型电动机引出一组6芯控制线与镜头控制器（如解码器）相连。常见的有6
12、倍、10倍和12倍、16倍等几种规格。变焦镜头的“倍率”是变焦镜头的最长焦距与最短焦距之比，是一个相对值。三、镜头的参数（选择镜头的主要依据）1、镜头的光学特性主要参数镜头的光学特性主要包括成像尺寸、焦距、相对孔径和视场角等几个参数，以下分别介绍： 成像尺寸镜头一般可分为25.4mm（1 in）、16.9mm（2/3 in）、12.7mm（1/2 in）、8.47mm（1/3 in）和6.35mm（1/4 in）等几种规格。标称芯片尺寸CCD感光靶面尺寸25.416.912.78.476.35对角线1611864.5垂直9.66.64.83.62.7水平12.78.86.44.83.6镜头成像
13、面CCD靶面12.7mm镜头成像面CCD靶面12.7mm8.47mm它们分别对应不同的成像尺寸，选镜头时，应使镜头的成像尺寸与摄像机的CCD靶面尺寸大小相吻合，当镜头的成像尺寸比摄像机CCD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；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，表现为成像画面四周被镜筒遮挡，出现四角发暗甚至四角无图像的情况。注：镜头与摄像机CCD尺寸的关系1/2”镜头既可用于1/2”摄像机，也可用于1/3”摄像机，但视角会减少25%左右。1/3”镜头不能用于1/2”摄像机，只能用于1/3”摄像机。 焦距长焦距镜头摄取景物尺寸大，短焦距镜头
14、摄取景物尺寸小，已知被摄物体的大小及物体到镜头的焦距，叫f=h D/H或f=v D/VD为镜头中心到被摄物体的距离。H和V分别为被摄物体的水平尺寸和垂直尺寸。例：已知被摄物体距镜头中心距离3m，高度为1.8m，所用摄像机CCD靶面为1/2 in。（靶面垂直尺寸为4.8mm）查得f=v D/V=4.8300018008.02mm，应配8mm的镜头。（实际应用中，常有用户提出摄像机能看清多么远的物体或多么宽的场景等问题，这要由所选用镜头的焦距来决定，还与所用摄像机的分辨率及监视器的分辨率有关） 相对孔径（为了控制通过镜头的光通量大小，在镜头后部均设置了光阑，俗称光圈）相对孔径A为有效孔径D与焦距f
15、之比（A=D/f），镜头的相对孔径决定被摄像的照度，即像的照度E与镜头的相对孔径A的平方或正比。一般习惯用相对孔径的倒数来表示镜头光阑的大小。即： F=f/DF一般称为光阑F数，标注在镜头光阑调整圈上，其标值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等序列值，每两个相邻数值中，后一数值的21/2倍。由于像面照度与相对孔径的平方成正比（与光阑的平方成反比）所以光阑每变化一档，像面亮度就变化一倍。光阑F值越小则相对孔径越大，到达摄像机靶面的光通量就越大。常见镜头所标的F值均指该镜头的最小光阑数。有些公司的镜头相对孔径参数为F/A，A为上面所说的光阑F数。 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，ah=2arctg（h/2f）；av=2actg（v/2f）。镜头的焦距f越短，其视场角越大，或摄像机靶
