攝像機(jī)鏡頭的具體詳細(xì)參數(shù)解析

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鏡頭參數(shù) 鏡頭是電視監(jiān)控系統(tǒng)中必不可少的部件，鏡頭與CCD攝像機(jī)配合，可以將遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像在攝像機(jī)的CCD靶面上。 鏡頭的種類繁多，從焦距上分類，可分為短焦距、中焦距、和焦距和變焦距鏡頭；從視場的大小分類，可分為廣角、標(biāo)準(zhǔn)、遠(yuǎn)攝鏡頭；從結(jié)構(gòu)上分類，還可分為固定光圈定焦鏡頭、手動光圈定焦鏡頭、自動光圈定焦鏡頭、手動變焦鏡頭、自動光圈電動變焦鏡頭、電動三可變鏡頭（指光圈、焦距、聚焦這三者均可變）等類型。由于鏡頭選擇得合適與否，直接關(guān)系到攝像質(zhì)量的優(yōu)劣，因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須合理選擇鏡頭。 1 、鏡頭的參數(shù) 鏡頭的光學(xué)特性包括成像尺寸、焦距、相對孔徑和視場角等幾個(gè)參數(shù)，一般在鏡頭所附的說明書中都有注明，以下分別介紹。 A、成像尺寸 鏡頭一般可分為25. 4mm（lin）、16. 9mm（2/3in）、12. 7mm（1/2in）、8.47mm（1/3in）和6.35mm（1/4in）等幾種規(guī)格，它們分別對應(yīng)著不同的成像尺寸，選用鏡頭時(shí)，應(yīng)使鏡頭的成像尺寸與攝像機(jī)的靶面尺寸大小相吻合。表2-1列出了幾種常見CCD芯片的靶面尺寸，表中單位為mm。 表1-1 幾種常見CCD芯片的靶面尺寸 由表1-1可知，12. 7mm（1/2in）的鏡頭應(yīng)配12. 7mm（1/2in）靶面的攝像機(jī)，當(dāng)鏡頭的成像尺寸比攝像機(jī)靶面的尺寸大時(shí)，不會影響成像，但實(shí)際成像的視場角要比該鏡頭的標(biāo)稱視場角小（參見圖1-1），而當(dāng)鏡頭的成像尺寸比攝像機(jī)靶面的尺寸小時(shí)，就會影響成像，表現(xiàn)為成像的畫面四周被鏡筒遮擋，在畫面的4個(gè)角上出現(xiàn)黑角（參見圖1-1）。 (1)鏡頭成像尺寸比CCD靶面尺寸大 (2)鏡頭成像尺寸比CCD靶面尺寸小 圖1-1 鏡頭成像尺寸與CCD靶面尺寸的關(guān)系 B、焦距 在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會有用戶提出該攝像機(jī)能看清多么遠(yuǎn)的物體或該攝像機(jī)能看清多么寬的場景等問題，這實(shí)際上由所選用的鏡頭的焦距來決定，因?yàn)榻咕鄾Q定了攝取圖像的大小，用不同焦距的鏡頭對同一位置的某物體攝像時(shí)，配長焦距鏡頭的攝像機(jī)所攝取的景物尺寸就大，反之，配短焦距鏡頭的攝像機(jī)所攝取的景物尺寸就小。當(dāng)然，被攝物體成像的清晰度還與所選用的CCD攝像機(jī)的分辨率及監(jiān)視器的分辨率有關(guān)。 理論上，任何一種鏡頭均可拍攝很遠(yuǎn)的物體，并在CCD靶面上成一很小的像，但受CCD單元（像素）物理尺寸的限制，當(dāng)成像小到小于CCD傳感器的一個(gè)像素大小時(shí)，便不再能形成被攝物體的像，即使成像有幾個(gè)像素大小，該像也難以辨識為何物。 當(dāng)已知被攝物體的大小及該物體到鏡頭距離，則可根據(jù)下兩式估算所選取配鏡頭的焦距： f=hD/H f=vD/V 式中，D為鏡頭中心到被攝物體的距離；H和V分別為被攝物體的水平尺寸和垂直尺寸；v為靶面成像的高度；h為靶面成像的水平寬度。 成像場景的大小與成像物體的顯示尺寸是互相矛盾的，舉個(gè)例子來說，用同一支攝像機(jī)對同一個(gè)停車場進(jìn)行監(jiān)視，選用短焦距鏡頭可以對整個(gè)停車場的全景進(jìn)行監(jiān)視并看到出入口外的車輛進(jìn)出，但卻不能看清該輛車的牌照號碼（該車在監(jiān)視器屏幕上僅占據(jù)了很小的面積）；而選用長焦距鏡頭雖可以看清該輛車的牌照號碼（該車占據(jù)了屏幕上的大部分面積），卻又不能監(jiān)視到整個(gè)停車場的全貌。因此當(dāng)需要既監(jiān)視全景以要看清局部時(shí)，一般應(yīng)考慮配用電動兩可變或電動三可變鏡頭。當(dāng)然，在選定了鏡頭的前提下，選用高分辨率的攝像機(jī)及監(jiān)視器則可以在被監(jiān)視物體成像尺寸較小時(shí)也能看清局部細(xì)節(jié)。 C、相對孔徑 為了控制通過鏡頭的光通量大小，在鏡頭的后部均設(shè)置了光闌（俗稱光圈）。假定光闌的有效孔徑為d，由于光線折射的關(guān)系，鏡頭實(shí)際的有效孔徑為D，D與焦距f之比定義為相對孔徑A，即 A=D/f 鏡頭的相對孔徑?jīng)Q定于被攝像的照度，像的照度E與鏡頭的相對孔徑平方成正比，一般習(xí)慣上用相對孔徑的倒數(shù)來表示鏡頭光闌的大小，即 F=f/D 式中，F(xiàn)一般稱為光欄F數(shù)，標(biāo)注在鏡頭光欄調(diào)整圈上，其標(biāo)值為1. 4、2、2. 8、4、5. 6、8、11、16、22等序列值，每兩個(gè)相鄰數(shù)值中，后一個(gè)數(shù)值是前一個(gè)數(shù)值的倍。由于像面照度與光欄的平方成正比，所以光欄每變化一檔，像面亮度就變化一倍。F值越小，光欄越大，到達(dá)攝像機(jī)靶面的光通量就越大。 D、視場角 鏡頭有一個(gè)確定的視野，鏡頭對這個(gè)視野的高度和寬度的張角稱為視場角。視場角與鏡頭的焦距f及攝像機(jī)靶面尺寸（水平尺寸h及垂直尺寸v）的大小有關(guān)，鏡頭的水平視場角ah及垂直視場角av可分別由下式來計(jì)算，即 ah=2arctg（h/2f） av=2arctg（v/2f） 由以上兩式可知，鏡頭的焦距f越短，其視場角越大，或者，攝像機(jī)靶面尺寸h或v越大，其視場角也越大。如果所選擇的鏡頭的視場角太小，可能會因出現(xiàn)監(jiān)視死角而漏監(jiān)；而若所選擇的鏡頭的視場角太大，又可能造成被監(jiān)視的主體畫面尺寸太小，難以辨認(rèn)，且畫面邊緣出現(xiàn)畸變。因此，只有根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境選擇視場角合適的鏡頭，才能保證既不出現(xiàn)監(jiān)視死角，又能使被監(jiān)視的主體畫面盡可能大而清晰。 表1-2列出了幾種常用鏡頭的水平視場角，表中的參數(shù)是以日本精工系列鏡頭為參考給出的。 焦距/mm 鏡頭尺寸/in 2. 8 3. 5 4. 0 4. 8 6. 0 8. 0 12. 0 16. 0 25. 0 1/3 86. 3 67. 4 62. 0 52. 2 42. 3 32. 6 22. 1 17. 1 10. 6 1/2 94. 6 69. 4 57. 1 42. 6 29.7 22. 6 14. 2 2/3 59. 2 30. 8 19. 4 1 27. 8 表1-2 列出了幾種常用鏡頭的水平視場角 圖1-2為不同焦距鏡頭所對應(yīng)的視場角示意圖（設(shè)所用鏡頭均配接1/2in靶面CCD攝像機(jī)）。 圖1-2 不同焦距鏡頭所對應(yīng)的視場角 E、接口 鏡頭的安裝方式有C型安裝和CS型安裝兩種。圖1-3畫出了這兩種鏡頭的接口部位示意圖。其中上半部為CS型鏡頭，下半部為C型鏡頭。在電視監(jiān)控系統(tǒng)中常用的鏡頭是C型安裝鏡頭（in32牙螺紋座），這是一種國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。這種鏡頭安裝部位的口徑是25. 4mm（in），從鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點(diǎn)的距離是17. 526 mm。大多數(shù)攝像機(jī)的鏡頭接口則做成CS型，因此將C型鏡頭安裝到CS接口的攝像機(jī)時(shí)需增配一個(gè)5 mm厚的接圈，而將CS鏡頭安裝到CS接口的攝像機(jī)時(shí)就不需接圈。 圖1-3 C型安裝和CS型安裝鏡頭 在實(shí)際應(yīng)用中，如果誤對CS型鏡頭加裝接圈后安裝到CS接口攝像機(jī)上，會因?yàn)殓R頭的成像面不能落到攝像機(jī)的CCD靶面上而不能得到清晰的圖像，而如果對C型鏡頭不加接圈就直接接到CS接口攝像機(jī)上，則可能使鏡頭的后鏡面碰到CCD的靶面的保護(hù)玻璃，造成CCD攝像機(jī)的損壞，這一點(diǎn)在實(shí)用中需特別注意。 2、鏡頭的種類 鏡頭的種類有許多種，每一種鏡頭都有其特點(diǎn)。根據(jù)功能與結(jié)構(gòu)的不同，這些鏡頭的價(jià)格相差非常大，如電動變焦鏡頭要比普通定焦鏡頭的價(jià)格高約10倍，因此，只有正確了解各種鏡頭的特性，才能更加靈活地選擇鏡頭。 A、固定光圈定焦鏡頭 固定光圈定焦鏡頭是相對較為簡單的一種鏡頭，該鏡頭上只有一個(gè)可手動調(diào)整的對焦調(diào)整環(huán)（環(huán)上標(biāo)有若干距離參考值），左右旋轉(zhuǎn)該環(huán)可使成在 CCD靶面上的像最為清晰，此時(shí)在監(jiān)視器屏幕上得到圖像也最為清晰。 由于是固定光圈鏡頭，因此在鏡頭上沒有光圈調(diào)整環(huán)，也就是說該鏡頭的光圈是不可調(diào)整的，因而進(jìn)入鏡頭的光通量是不能通過簡單地改變鏡頭因素而改變，而只能通過改變被攝現(xiàn)場的光照度來調(diào)整，如增減被攝現(xiàn)場的照明燈光等。這種鏡頭一般應(yīng)用于光照度比較均勻的場合，如室內(nèi)全天以燈光照明為主的場合，在其他場合則需與帶有自動電子快門功能的CCD攝像機(jī)合用（當(dāng)然，目前市面上絕大多數(shù)的CCD攝像機(jī)均帶有自動電子快門功能），通過電子快門的調(diào)整來模擬光通量的改變。 B、手動光圈定焦鏡頭 手動光圈定焦鏡頭比固定光圈定焦鏡頭增加了光圈調(diào)整環(huán)，其光圈調(diào)整范圍一般可從F1. 2或F1. 4到全關(guān)閉，能很方便地適應(yīng)被攝現(xiàn)場的光照度，然而由于光圈的調(diào)整是通過手動人為地進(jìn)行的，一旦攝像機(jī)安裝完畢，位置固定下來，再頻繁地調(diào)整光圈就不那么容易了，因此，這種鏡頭一般也是應(yīng)用于光照度比較均勻的場合，而在其他場合則也需與帶有自動電子快門功能的CCD攝像機(jī)合用，如早晚與中午、晴天與陰天等光照度變化比較大的場合，通過電子快門的調(diào)整來模擬光通量的改變。 C、自動光圈定焦鏡頭 自動光圈定焦鏡頭在結(jié)構(gòu)上有了比較大的改變，它相當(dāng)于在手動光圈定焦鏡頭的光圈調(diào)整環(huán)上增加一個(gè)由齒輪嚙合傳動的微型電動機(jī)，并從其驅(qū)動電路上引出3芯或4芯線傳送給自動光圈鏡頭，至使鏡頭內(nèi)的微型電動機(jī)相應(yīng)做正向或反向轉(zhuǎn)動，從而高速光圈的大小。自動光圈鏡頭又分為含放大器（視頻驅(qū)動型）與不含放大器（直流驅(qū)動型）兩種規(guī)格。 D、手動變焦鏡頭 顧名思義，手動變焦鏡頭的焦距是可變的，它有一個(gè)焦距調(diào)整環(huán)，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整鏡頭的焦距，其變比一般為2~3倍，焦距一般在3. 6~8 mm。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通過手動調(diào)節(jié)鏡頭的變焦環(huán)，可以方便地選擇監(jiān)視現(xiàn)場的視場角，如：可選擇對整個(gè)房間的監(jiān)視或是選擇對房間內(nèi)某個(gè)局部區(qū)域的監(jiān)視。當(dāng)對于監(jiān)視現(xiàn)場的環(huán)境情況不十分了解時(shí)，采用這種鏡頭顯然是非常重要的了。 對于大多數(shù)電視監(jiān)控系統(tǒng)工程來說，當(dāng)攝像機(jī)安裝位置固定下來后，再頻繁地手動變焦是很不方便的，因此，工程完工后，手動變焦鏡頭的焦距一般很少再去調(diào)整，而僅僅起到定焦鏡頭的作用。因而手動變焦鏡頭一般用在要求較為嚴(yán)格而用定焦鏡頭又不易滿足要求的場合。但這種鏡頭卻受到工程人員的青睞，因?yàn)樵谑┕ふ{(diào)試過程中使用這種鏡頭，通過在一定范圍的焦距調(diào)節(jié)，一般總可以找到一個(gè)可使用戶滿意的觀測范圍（不用反復(fù)更換不同焦距的鏡頭），這一點(diǎn)在外地施工中尤為顯得方便。 E、自動光圈電動變焦鏡頭 此種鏡頭與前述的自動光圈定焦鏡頭相比另外增加了兩個(gè)微型電動機(jī)，其中一個(gè)電動機(jī)與鏡頭的變焦環(huán)嚙合，當(dāng)其受控而轉(zhuǎn)動時(shí)可改變鏡頭的焦距（Zoom）；另一個(gè)電動機(jī)與鏡頭的對焦環(huán)嚙合，當(dāng)其受控而轉(zhuǎn)動時(shí)可完成鏡頭的對焦（Focus）。由于該鏡頭增加了兩個(gè)可遙控調(diào)整的功能，因而此種鏡頭也稱作電動兩可變鏡頭。 自動光圈電動變焦鏡頭一般引出兩組多芯線，其中一組為自動光圈控制線，其原理和接法與前述的自動光圈定焦鏡頭的控制線完全相同；另一組為控制鏡頭變焦及對焦的控制線，一般與云臺鏡頭控制器及解碼器相連。當(dāng)操作遠(yuǎn)程控制室內(nèi)云臺鏡頭控制器及解碼器的變焦或?qū)拱粹o時(shí)，將會在此變焦或?qū)沟目刂凭€上施加一個(gè)或正或負(fù)的直流電壓，該電壓加在相應(yīng)的微型電動機(jī)上，使鏡頭完成變焦及對焦調(diào)整功能。 F、電動三可變鏡頭 此種鏡頭與前述電動兩可變鏡頭結(jié)構(gòu)相差不多，只是將對光圈調(diào)整電動機(jī)的控制由自動控制方式改為由控制器來手動控制，因此它也包含了3個(gè)微型電動機(jī)，引出一組6芯控制線與云臺鏡頭控制器及解碼器相連。常見的有6倍、10倍和12倍等幾種規(guī)格。 需要說明的是，變焦鏡頭的“倍率”與焦距是兩個(gè)不同的概念，有些人往往混淆兩者的含義，認(rèn)為倍率越高則看得越遠(yuǎn)。其實(shí)，倍率是變焦鏡頭的最長焦距與最短焦距之比，是一個(gè)相對值。例如，同樣是6倍鏡頭，市面上常見的就有6~36mm、7~42 mm、8~48 mm和8. 5~51 mm等多種不同廠家的不同品種，其中8. 5~51 mm鏡頭的遠(yuǎn)視特性顯然比6~36mm鏡頭的遠(yuǎn)視特性要好，但它的近視（廣角）特性卻不如6~36mm鏡頭好。