面阵CCD摄像机光学镜头参数及其相互关系.docx

光学技术第2 6 卷第2 期Vol . 26 No . 22 0 0 0 年 3 月O P T ICAL T ECHN IQU EMarch 2000文章编号 : 100221582 (2000) 0220183203面阵 CCD 摄像机光学镜头参数及其相互关系林家明(北京理工大学 光电工程系 , 北京 100081)摘要 : 主要介绍了用于面阵 CCD 摄像机的光学镜头参数 ,如焦距 、光学格式 、F 数 、景深 、视场角 、光圈和驱动及接口等 。讨论了各项参数之间的相互关系 。为合理选择不同 CCD 光学格式的镜头提供参考 。关 键 词 : 面阵 CCD ; 焦距 ; 景深 ; 自动光圈中图分类号 : TN38615 ; TB81114文献标识码 : BSpec if icat ion data of CCD ca mera lens an d their relat ionsL IN J ia2ming(Depart ment of Op tical Engineering , Beijing Instit ute of Technology , Beijing 100081 , China)Abstract : L ens parameters of CCD camera , such as focal lengt h , camera format , F stop , dep t h of field , angle of view , video drive or direct drive , C or CS mount and so o n , are described in t hispaper . The relatio nship s of t he parame2 ters are also discussed. The reference informatio n for selecting t he various lenses is p resented.Key words : mat rix CCD ; focal lengt h ; dep t h of field ; auto iris标的距离来计算镜头的焦距 。如图 2 所示 , 其计算公式为引言1CCD 摄像机最前端都是由一个光学镜头使外界的景物成像在 CCD 光敏面上 。合理选择并安装 光学镜头是保证清晰成像并获得正常视频信号的关 键 。各种 CCD 光学镜头种类繁多 ,光学镜头的主要 参数都不尽相同 ,合适的参数指标应根据不同接口 、 CCD 光敏面光学格式 、光圈 、视场 、焦距 、F 数等来 确定 。本文讨论面阵 CCD 光学镜头的性能参数以 及各参数之间相互制约的关系 。 L L f = v 或 f = hVH面阵 CCD 光学镜头的性能参数211焦距焦距是 CCD 光学镜头的首要参数 , 通常用 f 来表示 。焦距直接关系到视场角的大小 。一般短焦 距镜头给出较大的视场角 ; 长焦距镜头将构成小视 场角 , 如小视场望远镜头 。标准视场角的镜头类似 于人眼在正常情况下所看到的范围 。所选定的 CCD 摄像机必有一个相对应的镜头焦距 , 图 1 给出 了镜头焦距与使用装置的简单计算方法 。目标尺寸 和视场角给出了求取镜头焦距的计算公式 。在选择镜头时 , 应依据摄像机位置到被监测目2图 1 镜头焦距与视场角的关系面阵 CCD 光敏面光学格式212面阵 CCD 摄像器件的尺寸一般有 1 英寸 , 2/ 3英寸 ,1/ 2 英寸 ,1/ 3 英寸和 1/ 4 英寸 ,它们的大小也 会影响到镜头的视场角 。当使用同样的镜头时 ,尺 寸小的 CCD 摄像器件产生的视场角要小 。镜头的规格与视场角并不是直接相关的 ,它仅仅是投射覆 盖 CCD 光敏面上一个目标的像 ,也就是说 ,不管摄 像机的规格是小还是大 ,1/ 3 英寸摄像机镜头 ( f = 收稿日期 : 1999209203作者简介 : 林家明( 19492) ,男 ,辽宁省沈阳市人 ,北京理工大学光电工程系副教授 ,主要从事测试技术及 CCD 应用技术的研究。183光学技术第 26 卷214景深景深是指在能够聚焦的情况下可观察清晰图像 的视场区域 。大景深是指在聚焦状态下 , 从目标接 近镜头到无限远观察清晰图像所占有的较大百分 比 。在聚焦的情况下 , 小景深仅仅是一个很小的观察区域 。景深受多个参数的影响 ( 见图 4) , 可用下式表 示 :图 2 镜头焦距计算方法示意图8 mm ) 能用 到 1/ 3 英 寸 1 英寸 的 摄 像 机 上 ,只是 在 监 视器 中 充 满显 示 屏 的目 标 像图 3 1 英寸 CCD 摄像镜头配合不同 CCD光敏面在屏幕上的成像示意图图 4景深和焦深关系示意图2 x L 2A A df 仅占原图像视场中心的一部分 ,如图 3 所示 。这种配合可以提高对目标观测的分辨率 。式中 L 是物距 ; D 是入射光瞳 ; f 是镜头焦距; x 是所允许的像点弥散圆直径 。从上式可以看出 :F 数213光圈大景深小 , 光圈小景深大;焦距长景深小 , 焦距短景深大; 物距远景深大 , 物距近景深小; 当对图像清晰度要求高时 , 即要求像点弥( 1)( 2) ( 3)(4)镜头通常有F 数或孔径两个度量参数 , 即F =f / D 。当镜头光圈开到最大时 , 也就是孔径开到最大 , 这时 F 数是最小的 。在镜头光圈刚要完全关闭 以前 , F 数最大 。手动光圈镜头 F 数一般分为 114 ,2 , 218 , 4 , 516 , 8 , 11 , 16 , 22 等挡 。自动光圈镜头的F 数是通过电机的驱动方式 , 根据入射到 CCD 光敏 面的光强大小来自动改变光圈的大小 , 使 F 数在一定范围内改变 。 F 数会影响最终的成像数值 。一个低挡 F 数是指在很暗的条件下 , 镜头能通过更多 的光通量到达 CCD 光敏面上 。当有一个高亮度或 高反射的目标物时 , 必须有高档数或最大 F 数的镜 头 , 只有这样 , CCD 摄像机才会产生一个较好的图 像 。这时 , 要防止 CCD 摄像机出现“白电平削波”现 象 ,这种现象会使监示器全屏幕成为一片白色 。同 时要保持恒定的视频输出 。对所有的自动光圈镜头来说 ,为了增大 F 数 , 在光阑中心装有中性变密度 的光点滤光片 , 该滤光片越趋近中心密度越大 , 如1/ 3 英寸 61036 mm , F112360 , 即当计算出孔经D011 mm 时 , 光通量是达不到 CCD 光敏面所要 求的照度的 , 即使是机械光圈 , 也很难实现这样小的光 圈 。所 以 当 F 为 360 时 , 光 圈 先 关 到 D =11125 mm , 这时 F 数实际为 32 , 变密度中性滤光片 起的作用就使得 F 数达到 360 , 相当于 1 66000 左 右的光衰减作用 。184散圆直径 x 小时 , 则景深小; 当对图像清晰度要求低时 , 景深大 。对一个广角镜头来说 , 它的焦距短 , 具有比望远 物镜 ( 焦距长) 大的景深 。高 F 数的设定意味着有大的景深 , 自动进行孔径大小调整的自动光圈镜头意味着持续变化的景深 。在夜间 , 当镜头光圈充分 打开时 , 小景深是明显的 , 这是由于镜头最小景深的 缘故 。在白天 , 这种情况可能会出现散焦 。从图 5 可以看 出 , 当光圈 F 数为2 时 , 景深是很小 的 , 即在焦距不变 的情 况 下 光 圈 D增大景深减小 , 光圈 D 增大 , 曝光速图 5 镜头曝光速度与景深 、光圈的关系度快 , 即用图 5 中比较浅的一个区域表示。随着 F数的增大 , 光圈 D 变小 , 曝光速度减慢 , 曝光时间加 长 , 曝光量增加 , 用图 5 中较黑的部分表示 。由于光圈 D 减小 , 景深也变大 , 当取 F 数为 16 时 , 镜头的 景深可达 2 m1015 m 。215自动和手动光圈第 2 期林家明 : 面阵 CCD 摄像机光学镜头参数及相互关系在外部环境光照不同的情况下 , 倾向于采用自动光圈镜头 。当光照保持不变即处于正常室内环境 时 , 采用手动光圈 。随着电子光圈的引入 , 摄像机才 有可能在变化光照条件下采用手动光圈 , 摄像机将 用电子方法进行补偿 。然而对这种选择有几种考虑 ,如果光圈是充分开着的 , 让摄像机在夜间工作 , F 数的设定是临界状态 , 景深很小 , 就是在白天要 达到清晰定焦也是很困难的 , 摄像机保持正常的视 频输出电平 , 但它不影响景深 。为了增加景深 , 如果 使这个光圈变小 , 摄像机在低光照下的性能也将减弱 。大多数镜头在 F 数为 516 至 F 数为 518 时拍 摄的图像质量最佳 。光圈大时图像清晰度下降 , 光 圈小时图像的几何畸变容易显现 。为使摄像器件光敏面上的曝光量更为合适 , 增加了光圈挡次 , 例如在 F 数为 218 和 F 数为 4 之间 增加 F 数为 315 一挡 , 可使入射光通量变化半挡 , 即前一挡 ( F 数为 218) 的进光量是后一挡 ( F 数为315) 进光量的 115 倍 。在许多半自动化和全自动化 摄像机上 , 可将自动光圈的稳定点提高和降低 015115 挡 , 以改变图像信号的基准电平 , 调节图像的 亮度 。216视频驱动或直接驱动为了保证具有理想的图像 , 用自动光圈去控制 光阑的动作是必需的 。视频驱动镜头含有从摄像机到光圈电机进而转变成视频信号的控制放大电路 。 采用直接驱动镜头一定要有放大电路和在镜头中包 含电流测定的光圈 , 采用电机可使它减少成本 。所 决定的参数取决于摄像机的自动光圈输出 , 目前大 多数自动光圈镜头都属于这两种类型 。217C 或 CS 接口现代摄像机配用的镜头一般是 CS 接口 ( 见图6) 。具有 CS 接口的摄像机可以用于两种镜头 ,但 C 接口镜头要在CS接口上加一个转接圈 , 并装在摄 像机和镜头之间以达到聚焦成像的目的 。仅具有C接口的摄像机不能用CS接口的镜头 , 否则在摄像机 CCD 像面上不可能达到聚焦的像 。结论3以 上所讨论的有关面阵CCD镜头的光学参数在实际应用中有多种 镜头可供选择 , 当然 还可根据特殊的需要 设计制造特殊镜头实 现不同条件下的清晰成像 。目前许多国内 外厂家分别生产了多图 6 CS 与 C 接口的镜头配接尺寸种系列的 CCD 镜头 ,大体上按 1 英寸 、2/ 3英寸 、1/ 2 英寸 、1/ 3 英寸等 CCD 光学格式给出不同参数指标的镜头有如下 11 种 :(1)(2) (3)(4)手动光圈 C 、CS 接口镜头 。DC 自动光圈 C 、CS 接口镜头 。 视频驱动自动光圈