光学镜头基础知识和选择

1、光学镜头基础知识和选择,陈爱民 2012-06-25,Optical lens,目录,镜头简介,镜头成像影响因素,镜头参数,镜头分类,摄像机镜头选择方法,实例及注意事项,一、镜头简介,摄像机镜头为视频监控系统最关键的设备，它的指标优劣直接影响摄像机的整机性能指标， 因此摄像机镜头的选择是否恰当直接关系到整机性能效果，同时关系到工程造价。 它相当于人眼的晶状体。-没有了镜头，则摄像头出来的图像则是白茫茫的一片，得不到 清晰的图像输出。 当人眼肌肉无法正常将晶状体拉伸到正常位置，也就是人们所说的近视眼，眼前的世界模 糊不清，摄像头与镜头的匹配也有类似的情况，当图像模糊不清时，可以调整摄像头的后焦

2、距，改变CCD或者CMOS靶面与镜头基准面的距离（相当于调整人眼球内的晶状体位置）， 从而将模糊的图像变的清晰了。,由此可见，镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要。,二、镜头成像影响因素,镜头分不同类型，同一类型，对于成像质量也会存在较大差异性。主要取决于：镜头材质 、加工精度、镜头结构。同时造成不同档次镜头的价格上几百到几万的差异性。 像差是影响图像质量的重要方面，常见的像差有如下：,球差,色差,畸变,彗差,二、镜头成像影响因素,分辨率（清晰度）,明锐度（对比度）,景深,其它（色散、IR效果等,评价镜头的几个主要因素,DOF,3、景深，顾名思义，就是背景的深度. Depth of Field

3、 (DOF） 概念：当摄像机镜头对着某一物体聚焦清晰时，在镜头中心所对的位置垂直镜头轴线的同一平面的点都可 以在CCD或CMOS上相当清晰的图像，在这个平面沿着镜头轴线的前面和后面一定范围的点也可以结成 眼睛可以接受的较清晰的像点，把这个平面的前面和后面的所有景物的距离叫做摄像机的景深,DOF,影响景深的因素：景深随镜头的焦距、光圈值、拍摄距离改变而变化,对于固定焦距与拍摄距离，使用光圈越大，景深越小,DOF,DOF,主要因素对景深的影响如下（假定其他条件不变的情况下）： 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： 焦距越长，景深越小，景深越小，景深越大。 3、拍

4、摄距离： 距离越远，景深越大，距离越近，谨慎越小。,三、镜头参数-成像尺寸,镜头的光学特性主要包含成像尺寸、焦距、相对孔径、视场角等几个主要参数，一般在镜头所附的规格说 明书上都有标注，以下分别做介绍。,成像尺寸：一般分为1”、2/3、1/2、1/3、1/4等几种规格成像尺寸，选用镜头时，应使镜头的成像尺寸与Sensor 靶面尺寸大小相吻合。镜头尺寸规格Sensor靶面尺寸, 注：当镜头的成像尺寸比摄像机靶面大时，不会影响成像，但 实际成像的视场角度会比镜头标称的要小。而镜头的成像尺寸比摄像机成像靶面小时，会影响成像，表现为成像的画面 四角会被镜头遮挡，在画面的四个角上显示暗角。,镜头成像尺寸

5、与SENSOR靶面关系,三、镜头参数视场角,镜头视场角：每个镜头有一个视野，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Sensor靶面尺寸有关，镜头的水平视场角ah与垂直视场角a可分别由下面公式来计算 ah=2arctg(h/2f) av=2arctg(v/2f) 由以上可知，镜头的焦距越短，其视场角越大，或者SENSOR靶面尺寸h或v越大，其视场角越大。,三、镜头参数-视场角,不同焦距镜头所对应的视场角,三、镜头参数-附接口说明,镜头与摄像机之间接口有不同类型。,工业摄像机接口通常包含如下接口：C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、莱卡接口、M42接口

6、、M50接口、M12接口、14接口等。 说明：接口定义不同与镜头的性能质量并无直接关系，只是接口的方式不同，一般可以找相应接口的 转换座。 C接口及CS接口是摄像机类的最常见的国际标准接口，两种接口的螺纹都采用英制螺纹，螺纹连接一样 主要区别如下： 1、C接口的后截距为17.5mm，CS接口后截距为12.5mm。 从而CS接口的摄像机可以和C或CS接口镜头连接使用，只是使用C接口镜头时使用一5mm连接圈。 C型接口的摄像机不能使用CS接口的镜头。,三、镜头参数附接口说明,C与CS接口主要区别,四、镜头分类,以镜头规格分类,以镜头安装方式分类,以镜头光圈分类,以镜头透过光线分类,以镜头视场角大小

7、分类,以镜头焦距分类,镜头分类,四、镜头分类,以镜头光圈分类：,1、手动光圈镜头（manual iris),适合于亮度不变或变化不大的应用场合。 2、自动光圈镜头 (auto iris)，适合于亮度变化较大的应用场合。 DC驱动输入型 视频信号输入型 说明：对于采用自动光圈镜头，对于下列应用是比较理想的选择： 1）、在如太阳光直射等非常亮的场景下，用自动光圈可以获得较宽的动态范围。 2）、要求在整个视野有良好聚焦的情况下，用自动光圈镜头有比固定光圈镜头更大的景深。,四、镜头分类,以镜头焦距分类：,按 焦 距 分 类,定焦距（自动光圈 与固定光圈）,变焦距（电动式）,短焦距镜头：入射角较宽，可以

8、提供一较宽广的视野,中焦距镜头：标准镜头，如现在使用4、6、8、12mm镜头。,长焦距镜头：入射角较窄，仅能提供狭窄的视景，使用于长距离监控。,三可变镜头：可调焦、可变倍、可调光圈,两可变镜头：可调焦、可变倍,四、镜头分类,以镜头透过光线分类：,以透光性分类,彩色镜头,IR镜头,黑白镜头,五、摄像机镜头的选择方法,镜头尺寸与SENSOR靶面匹配,合适的镜头焦距,环境光线的变化,最佳的监控范围,镜头接口的一致性,镜头的选用主要考虑以下几点：,镜头像素与SENSOR分辨率匹配,五、摄像机镜头的选择方法,对于环境光线变化说明：光线对图像的采集起着十分重要的作用，对于光线变化不明显的场合，我们选用手动

9、光圈 或者固定光圈镜头即可。如果光线变化较大，建议采用自动光圈镜头，但需要注意的是，如果光线照度不均匀，特 别是监控目标和背景光线反差太大时，采用自动光圈就不是很理想。,对于考虑最佳监控范围说明：因为镜头焦距与水平视场角成反比，因此既想看的远，又想看的清晰与宽阔，这是无 法同时实现的。每个焦距的镜头只能在一定范围内达到最佳的监看效果，所以如果要监看较远或者又宽阔范围，最 好增加摄像机数量，或者采用电动变焦镜头，同时配合云台操作。,五、摄像机镜头的选择方法,镜头像素与SENSOR分辨率匹配：,40万像素IR镜头,130万像素IR自动光圈镜头,300万像素IR固定光圈镜头,500万像素镜头,500万像素镜头,百万像素不同规格镜头,六、注意事项,1、焦距确定 计算公式所有计算都基于一种理想镜头，此理想镜头与商业镜头在实际中差别一点点，基本可以忽略 但有时还需要根据实际测试下。但是广角镜头可能与理想镜头有较大差异。 2、镜头对图像的影响： 焦距越小，景深越大，畸变越大，渐晕现象越严重，像差边缘照度会低。 光圈越大，