镜头讲义
一． 光学成像原理
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。
如何得到清晰的物像？
合理设计：包括选择镜头的各项参数并考虑物体的照明条件，聚光方式，光学系统的传输损失，像面照度的计算方法等，使像位置、尺寸、清晰度以及物像光强受符合实际应用的技术条件。
1．1 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。
1．2 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。
1．3 理想光学系统的基本点面
1） 焦点和焦面
理想光组的焦点有两个，其中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。
2） 主点和主面
横向放大率（像高与物高之比）为1的一对共轭面
像方与光轴焦点为像方主点，物方与光轴焦点为物方主点
3） 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’。
1．4 光学系统中光束的限制。
1） 光阑
在光学系统中限制成像空间与光束孔径
作用：a)改善系统成像质量
b)决定通过系统的光能
c)拦截系统中有害的杂散光等
用途分：a)有效光阑 b)视场光阑 c)消杂光光阑
2) 渐晕
在光学系统中，除了入射光瞳外，还会有其他光角的物方的像，如射入窗和其他透镜框在物空间的像等，会使轴外光束孔径减少，这种现象叫渐晕。
3）焦深
实际光学系统矫正像差后，除在理想成像面上可获得清晰的像外，常把理想波面的参考点沿轴向离焦，使波差不超过λ/2（由－λ/4到λ/4）时，也能得到清晰的像，对立的离焦量焦焦深。
4）景深
光学系统应能使距镜头不同距离远的各空间的物体能同时在像平面成清晰的像，景深即最近点成清晰像与最远点成清晰像之间的距离。
二、摄像物镜体统
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
根据体统使用需要可选用定焦摄像物镜或变焦摄像物镜。
定焦物镜指的是：具有固定焦距f的物镜，其相对孔径d/f和视场角2w都是固定不变的，一般都有一个光强控制系统。
对同一个设想系统，有时需要由一个长焦距物镜以分辨远距离的小目标；有时则需要摄像物镜为短焦距，以便在一个较大的视场内摄取一个较大空间的像，能满足上述要求的物镜系统即变焦距物镜系统。
变焦距物镜系统在变焦距过程中光学系统的相对孔径是不变的，变焦距范围的两个极限焦距，即长焦距和短焦距之比称为变倍比。
变焦距物镜系统同样也是一个变焦摄像物镜和一个光强控制系统。
变焦距物镜的性能是：高变倍比，远摄距（长焦距小视场），近焦距（短焦距大视场），自动调焦，电动变焦；其结构要求是体积小，重量轻；其成像质量要求则是力求达到在各种焦距时均满足图像质量及像面固定不动，变焦过程中像面始终在ccd传感器的靶面上。（光学补偿，机械补偿）
三、镜头的参数
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：
1． 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 25.4 16.9 12.7 8.47 6.35
靶面尺寸
对角线 16 11 8 6 4.5
垂直 9.6 6.6 4.8 3.6 2.7
水平 12.7 8.8 6.4 4.8 3.6
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靶面尺寸大小相吻合，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，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）
2．焦距
（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）
长焦距镜头摄取景物尺寸大，短焦距镜头摄取景物尺寸小，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/v
d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=4.8×3000&pide;1800＝8.02mm，应配8mm的镜头。
3． 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/d
f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。
腾龙公司的相对孔径参数为f/a，a为上面所说的光阑f数。
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，或摄像机靶面尺寸h或v越大，其视场角也越大。
如所选镜头的视场角太小，可能会因出现监视死角而漏监，所选镜头的视频角太大又可能造成被监视的主体画面尺寸太小难以辨认且画面边缘出现畸变。（应选择合适的视角场）
“看多远”问题
解释用户摄出的摄像机能够“看多远”之类问题，即100m，500m甚至1km远外的物体还能否在监视器上清晰地显示出来。
用某定焦镜头可以看清100m远的汽车或1km远的轮船，但却看不清10m远的钞票面值，这因为观看的对象不同
一般来说，镜头焦距越长看得就越远，同时视场角却变小，观看得范围变窄
“看多远”较为科学得说法是： 在屏幕上成的码大小可对应于实际观测距离处多高或多宽的景物。
由于镜头的成像尺寸，焦距，视频角等参数具有一一对应的关系，一些专业镜头生产厂商还专门制作了镜头选择计算尺。
该计算尺由上下两个圆盘及一个透明的扇形片组成，圆盘及扇形片上有刻度，分别标有视频角，被摄物体的水平及垂直尺寸，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。 根据某个事先确定的已知量就可以计算出其他量
如 1/3 tn ccd 配 8mm镜头 在3m摄距时 视频角，水平多宽的物体被摄入摄像机
1/3 tn 对准8mm 得 h约 33 v 为 25
转下圆盘对准3m物距 者宽为16m
即 宽为1.6m 的物体被摄入监视器
ccd靶面尺寸，物距，被摄物大小 ―――> 镜头焦距f
选镜头： （1）首先确定镜头的类型;手动光圈还是自动光圈
（2）决定被观测物体的优先考虑因素，即是以垂直高度v作为选择依据，还是以水平宽度h作为选择依据
（3）选择镜头的尺寸（注意与选用ccd或cmos摄像机的靶面尺寸相符）
（4）观测距离和被监视物体的尺寸可由此确定焦距f
5．接口
镜头的安装方式有c型安装和cs型安装两种
两种接口示图，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（1m32牙螺反座）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。
自动光圈简介：
当进入镜头的光圈的光通量变化时，摄像机ccd靶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，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不，至使镜头内的微型电动机相应做正向或反向转动，从而调整光圈的大小。自动光圈镜头分含放大器与不含放大器两种规格。
在自动光圈镜头上一般还有两个以防尘塞盖住的内藏内调节旋钮，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和h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和a 字样)。
当监视器上画面的整体高度过亮或过晴，或出现忽明忽暗时，就要调整电平设旋钮。如画面过亮，可将该旋钮按逆时针方向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，将旋钮旋到使监视器上画面最佳的位置。
当监视器上的画面出现极高的对比度时，则须慢慢地把alc可变电阻从平均位置a(average)旋向峰值位置p(poak).直至得到满意的画面为止。
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，切断电源，光圈自动关闭。
dc驱动与视频驱动的区别：
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。
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。
1． 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
2． 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。
3． 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，接到摄像机的自动光圈接口座上。
4、 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2-3倍，焦距一般在3.6-8mm
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
5、 自动光圈电动变焦镜头
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)
6、 电动三可变镜头
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相连
常见的有6倍、10倍和12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
非球面镜头
非球面镜头(aspherial lens)是近年开始广泛使用的新型镜头其特点是镜头所用的镜片为球面镜片，镜片表面形状可能是二次、三次，其中三次曲面也被称为自由曲面。
传统球面镜头采用的是球面镜片，一般会出现像差(色差、球差、彗差、畸度及像孝)等件多问题。实际镜头需要多片不同性能的镜片分组组合来校正，简单的定焦镜头可能只需要4片3组、6片4组或7片4组，而高档变焦镜头则高达十几组镜片组合，使镜头体积重量加大，透光系数也变差，f值小的高感度镜头的有效通光口径越大，球面像差越大，很难较正。
非球面镜头泊镜片形状是通过精确计算并由精密机器研磨而成，在设计过程中充分考虑到上述各校正因素，因而一片非球面镜片就能实现多个球面镜片校正像差的效果，可减少镜片的数量并因此减小镜头的体积，使得镜头的成像精度更佳，色光性更好，色彩还原更加准确。
广州翔德电子科技有限公司
15815502418
中国 广州