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安防监控镜头及其使用
文/中国传媒大学信息工程学院教授 杨磊
一、光学成像原理
将各种不同形状、不同介质（塑料、玻璃或晶体）的光学零件（反射镜、透射镜及棱镜）按一定方式组合起来，使得由物空间的物体发出的光线经过这些光学零件的透射（折射）或反射以后，能按照人们的需要改变光线的传播方向，射出光学系统而为接收器件所接收，即完成了物体的光学成像过程。

1.理想光学系统的物像关系
理想光组具有三个基本性质：
（1）点成点像
对于物空间的任何一个点，在像空间必有一个点与之对应，而且只有一个点与之对应。通常把这两个对应点称为共轭点。
（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。通常把这两条对应线称为共轭线。
（3）对称轴共轭
物空间和像空间存在着唯一的共轭对称轴。当物空间内某点A绕该空间内的对称轴旋转任意一个角度θ时，它的共轭像点A’也必绕像空间的对称轴旋转同样一个角度θ。通常把这一对共轭的对称轴称为光轴。

a）凸透镜成像 b）凹透镜成
（1）若A、B两点分别与A’、B’共轭，则直线AB必与直线A’B’共轭。
（2）同心光束经理想光组变换后，仍为同心光束。
（3）物空间的任何一个平面经理想光组变换后，在像空间的共轭图像也必为一个平面。
（4）若物空间内的平面垂直于光轴，则其共轭像平面也必垂直于光轴。
（5）理想光组一对共轭面的横向放大率等于一个常数，该常数与物高无关。
焦点、焦面、主点、主面

焦距
主点到焦点的距离称为焦距。其中物方主点H到物方焦点F之间的距离称为物方焦距，记为f；自像方主点H’到像方焦点F’之间的距离称为像方焦距，记为f’。焦距f和f’均为代数量，分别以主点H、H’为起算点计算到焦点F及F’，以光线传播（从左向右）方向为正，从右向左为负，如图所示，f值为负，f’值为正。

理想光学系统作图求像示意图

牛顿公式

高斯公式

在实际应用中，镜头是放在空气中的，物空间的折射率等于像空间的折射率，则此时的物方焦距f等于像方焦距f’。
牛顿公式

高斯公式

2.光学系统中光束限制及系统分辨率
限制光束的因素：光阑、渐晕、焦深、景深。
　　（1）光阑
　　实际光学系统，只可能在一定空间和一定光束孔径范围内构成满意的物体像。因此，必须在光学系统中采用光阑，以限制成像空间和光束孔径。
光阑的作用是：改善系统成像质量；决定通过系统的光能；拦截系统中有害的杂散光等。

光阑通常由光学零件的镜框或加入专门的带孔金属板等构成，其对称中心一般都在系统的光轴上。光阑按用途可分为：有效光阑、视场光阑及消杂光光阑等。
　　视场光阑：用以限制系统的成像范围。它对前方系统所成的像叫入射窗，对后方系统所成的像叫出射窗。
　　有效光阑：用以限制轴向成像光束孔径的大小，也称作孔径光阑。它对前方系统所成的像叫入射光瞳，对后方系统所成的像叫出射光瞳。
（2）渐晕
　　在光学系统中，除了入射光瞳外，还会有其他光阑的物方的像，会使轴外光束孔径减小。（正对镜头的孔径大、斜对镜头的孔径小）
　　在入射光瞳平面上，轴外光束截面积与轴向光束截面积之比称为面积渐晕系数。入射光瞳平面上子午线宽度与入射光瞳直径之比称为线渐晕系数。

（3）焦深
　　实际光学系统在矫正像差后，除在理想成像面上可获得清晰的像外，常把波面的参考点沿轴向离焦，使波差不超过λ/2（即±λ/4）时，也能得到清晰的像。对应的离焦量称做焦深。
（4）景深
除了少数只对一个平面成像的光学系统（照片放大机物镜和电影放映物镜等），镜头一般都要求对一定深度的空间成像，即：光学系统应能使距镜头不同距离远的各空间物体能同时在像平面上成一清晰的像，这就引出了空间物体在平面上成像的清晰度问题，即景深。

A．容许的光斑直径Z’越大则景深越大。其中光斑直径Z’的大小与图像传感器的分辨率有关。
　　B．景深与照相物镜的光束口径D、焦距f’和物距l等3个参数均有关，即：
　　 光束口径D越小则景深越大。焦距f’越小则景深越大。
　　 物距l越大（被摄物越远）则景深越大。
一般情况下，对照相物来说，|l|>>f’，

式中，D/f’为照相物镜的相对孔径。镜头的相对孔径越小（即光圈越小）则景深越大；在D/f’相同的条件下，焦距f’越小（如短焦距的广角镜头）则景深越大。
二、摄像物镜系统
摄像物镜系统（简称镜头）能够将远距离目标成像在CCD器件的靶面上，其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2ω。
一般情况下，安防监控摄像机均指的是CCD摄像机裸机，因此，在实际应用中，还需根据应用场合的现场情况及用户的具体要求，选择一个合适的镜头与摄像机配套，比如：选配定焦距镜头或变焦距镜头。
1.定焦镜头
定焦镜头指的是具有固定焦距f’的镜头，因而其相对孔径D/f’和视场角2ω都是固定不变的，但它一般都有一个光强控制系统（即光阑或光圈）。
2.变焦镜头
当镜头的焦距及视场在一定范围内改变时，其在CCD靶面上成的像始终清晰，也就是说，要使其像面位置保持不变。能满足上述要求的镜头即称为变焦距镜头。
设某个组合透镜由两个最简单的凸透镜组成，且这两个凸透镜的焦距分别为f1和f2，它们之间的距离为d，则组合透镜的焦距f取决于f1、f2和d。其相互关系为：
变焦镜头内部结构示意：

三、镜头的参数
1.成像尺寸
几种常见CCD芯片的靶面尺寸（mm）
标称芯片尺寸

感光靶面尺寸
25.4

1 in
16.9

2/3 in
12.7

1/2 in
8.47

1/3 in
6.35

1/4 in
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

2.焦距
f=hD/H
f=vD/V
式中，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。
　　例如，已知被摄物体距镜头中心的距离为3m，物体的高度为1.8m，所用的摄像机CCD靶面为1/2 in，由前页的表查得其对应的靶面垂直尺寸为4.8mm，则镜头的选配应根据式求得
f=vD/V=4.8×3000÷1800=8.02 mm
于是，该现场摄像机的镜头应选配焦距为8mm的镜头（注意：此时的物体在屏幕上“顶天立地”）

3.相对孔径
光阑有效孔径d，由于光线折射和关系，镜头实际的有效孔径为D，D与焦距f之比定义为相对孔径A，即
A=D/f
习惯上用相对孔径的倒数来表示镜头光阑的大小，即
F=f/D
式中F称为光阑F数。
　　像面照度与A的平方成正比，与F的平方成反比。常见镜头所标的F值均指该镜头的最小光阑数，反映了该镜头的最大通光特性。
　　要保证F恒定，f越大，D就需要越大。否则，F变小。因此，对变焦镜头来说，F是否恒定是一个重要参数。（TAMRON的全域通光特性）。
4.视场角
镜头对监视视野的高度和宽度的张角。
　　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：
αh =2arctg（h/2f）、αv =2arctg（v/2f）

用不同焦距的镜头拍摄同一场景时的成像效果
a) 28mm镜头的视场　b) 100mm镜头的视场　c) 300mm镜头的视场
5.景深

6.接口

CS摄像机
CS镜头
C镜头+接圈
C镜头
可能碰触CCD

C摄像机
CS镜头
C镜头
够不着

7.镜头参数计算工具

四、镜头的种类
1.固定光圈定焦镜头
结构最简，成本最低。但：光圈不可调，焦距不可调。只有一个聚焦调节环。
由于此种镜头的F值固定、适中，一般用于环境照度相对稳定的室内灯光照明场合。在其他场合应用时需与摄像机的电子快门配合。
2.手动光圈定焦镜头
结构简单，成本低。光圈可通过手动调节，但焦距不可调。除聚焦调节环，还有光圈调节环。
由于此种镜头的光圈在是工程安装过程中一次性调整，因此一般不宜调得过大或过小，但根据应用场合的实际情况可进行有针对性的调整。一般用于环境照度相对稳定的室内灯光照明场合。在其他场合应用时需与摄像机的电子快门配合。
3.自动光圈定焦镜头
镜头内部自带调光圈微型电动机，光圈可自动调节，但焦距不可调。
　　由于此种镜头的光圈调节是由摄像机根据成像画面的明暗程度自动输出控制电压到镜头的光圈调节电动机，因此在监视过程中无需人工干预，但起控阈值等参数可进行初始调整。适合于环境照度变化较大的场合。
两种类型：视频驱动（VD）；直流驱动（DD）。

4.手动变焦镜头
特点：焦距可手动调节。
另外，光圈可手动调节，也可自动调节（VD/DD）。
此种镜头的焦距可在工程安装过程中一次性调整，可实现适应监控现场的最佳监视效果（最佳视场角）。

5.自动光圈电动变焦镜头
在自动光圈镜头基础上，增加对镜头焦距的电动调节功能。
　　由于当镜头的焦距改变后，成像面也会相应变化，还需要有相应的聚集调节功能。因此，这种镜头除了内置自动光圈调节电动机外，还有两个用于调节焦距和聚集的电动机，可由人工通过施加控制电压来控制，故而又称为“两可变”镜头。
　　此种镜头的自动光圈功能与前述自动光圈定焦镜头完全相同。
6.电动三可变镜头
顾名思义，此种镜头的三个可调参数（光圈、变焦、聚焦）都是电动可变的。
　　由于不再是自动光圈，减少了自动控制电路部分，因此此种镜头的价格比前述“两可变”镜头略低。
7.预置镜头
预置镜头可以将预先设定的镜头状态（光圈、变焦、聚焦）参数储存起来，此后，无论镜头的当时状态为何，只要调用该预置参数，该镜头即可自动回到预置位置。
4.8针孔镜头

9.微型镜头（MTV-Mount）

10.一体机专用镜头

11.镜头增焦/减焦器
用于改变选定镜头的焦距。
　　安装在原镜头和摄像机之间，与原镜头组成等效镜头，使原镜头等效焦距扩展（通常为原来焦距的2倍）。TAMRON将增焦器称为望远转换器（Tele-Converter）。
　　减焦器与上类似，只是等效焦距减为原来的0.75。
　　注意：在与变焦镜头配合使用时，不会改变原镜头的倍率。
五、电动镜头的控制原理

六、非球面镜头
1.非球面镜头的特点

LD：低散射，消色差

2.高清镜头
又称百万像素镜头，具有极高的光学分辨率，因此成像更加细致（颗粒细微）。

七、镜头的使用
1.安装镜头（注意接口是CS还是C）；
2.自动光圈镜头的连线（VD型3芯，DD型4芯分两组）；
3.两可变、三可变镜头连线（两可变两束，三可变一束）；
4.预置镜头的连线（另外的一束线）；
5.镜头调整（大光圈对焦，注意锁紧柄）；
6.后焦调整（大光圈望远对焦；拉回广角找后焦；反复）；
7.两/三可变镜头的阻尼环（后焦调整完，锁紧，再平衡）；
8.注意与防护罩窗玻璃的距离（聚焦时镜头会有伸缩）。