光学镜头概述和选用

光学镜头概述和选用2020/4/212主要内容•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2020/4/213一、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。2020/4/214•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。2020/4/215二、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。2020/4/216•对于镜头设计及生产厂家，一般用光学传递函数OTF（OpticalTransferFunction）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（ModulationTransferFunction）与位相传递函数PTF（PhaseTransferFunction）两部分组成。2020/4/217•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：2020/4/218•分辨率（Resolution）：又称鉴别率、解像力，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。2020/4/219•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。2020/4/21102020/4/2111•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。2020/4/2112•对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大。2020/4/2113•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。2020/4/2114•超焦距:物距的大小也影响景深，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”。2020/4/2115•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（aperturescale），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。2020/4/2116三、镜头参数•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。2020/4/2117•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。2020/4/2118表1-1几种常见CCD芯片的靶面尺寸2020/4/2119•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）。2020/4/2120(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2020/4/2121•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。2020/4/2122•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=wD/Wf=hD/Hf：镜头焦距,单位：毫米w：图象的宽度（被摄物体在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2020/4/2123•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。2020/4/2124•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。2020/4/2125•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/1f/1.4f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/16f/22f/32f/45f/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。2020/4/2126•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”；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。2020/4/2127•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。2020/4/2128•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。2020/4/2129•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。2020/4/2130图1-2不同焦距镜头所对应的视场角2020/4/2131•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。2020/4/2132•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。2020/4/2133图1-3C型安装和CS型安装镜头2020/4/2134•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17.526mm。•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5mm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。2020/4/2135实例介绍：百万象素镜头2020/4/2136•50w象素镜头2020/4/2137•5mm的接圈2020/4/2138四、镜头分类•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2020/4/2139•1.以摄像机镜头规格分类2020/4/2140•摄像机镜头规格应视摄像机的ＣＣＤ尺寸而定，两者应相对应。•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。2020/4/214