光学镜头基础知识

光学镜头基础知识
光学镜头是摄像机中必不可少的部件,直接影响成像质量的优劣和效果。

光学镜头规格繁多，从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头；从视场大小分有广角、标准，远摄镜头；结构上分有固定光圈定焦镜头，手动光圈定焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变焦镜头，电动三可变（光圈、焦距、聚焦均可变）镜头等。

一、镜头的分类
1、按结构上分
1）、固定光圈定焦镜头
镜头只有一个可以手动调整的对焦调整环，左右旋转该环可使成像在CCD/COMS 靶面上的图像最清晰。

光圈不能调整，进入镜头的光通量不能通过改变镜头因素而改变，只能通过改变视场的光照度来调整。

结构简单，价格便宜。

2)、手动光圈定焦镜头
手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环，光圈范围一般从 F1.2 或 F1.4 到全关闭，能方便地适应被被摄现场地光照度，光圈调整是通过手动人为进行的。

光照度比较均匀，价格较便宜。

3)、自动光圈定焦镜头
在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个齿轮和传动的微型电机，并从驱动电路引出
3 或
4 芯屏蔽线，接到摄像机自动光圈接口座上。

当进入镜头的光通量变化时，摄像CCD/CMOS 靶面产生的电荷发生相应的变化，从而使视频信号电平发生变化，产生一个控制信号，传给自动光圈镜头，从而使镜头内的电机做相应的正向或反向转动，完成调整大小的任务。

4 手动光圈变焦镜头
焦距可变的，有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距，其可变比一般为
2～3 倍，焦距一般为 3.6～8mm。

实际应用中，可通过手动调节镜头的变焦环，可以方便地选择被监视地市场的市场角。

5 自动光圈电动变焦镜头
与自动光圈定焦镜头相比增加了两个微型电机，其中一个电机与镜头的变焦环合，当其转
动时可以控制镜头的焦距；另一电机与镜头的对焦环合，当其受控转动时可完成镜头的对焦。

但是，由于增加了两个电机且镜片组数增多，镜头的体积也相应增大。

6 电动三可变镜头
与自动光圈电动变焦镜头相比，只是将对光圈调整电机的控制由自动控制改为由控制器来手
动控制,光圈、焦距、聚焦均可变。

2、按场合上分：
1）、标准镜头：视角约30度，人单眼在头和眼不转动的情况下所能看到的视角，所以称为标准镜头，使用范围较广。

2）、广角镜头：视角90度以上，适用于拍摄距离近且范围大的景物，又能刻意夸大前景表现强烈远近感即透视。

3）、长焦镜头：，焦距可达几十毫米或上百毫米，适于拍摄距离远的景物，景深小容易使背景模糊主体突出，但体积笨重。

4）、变焦镜头：镜头焦距连续可变，焦距可以从广角变到长焦，焦距越长成像越大。

5）、针孔镜头：用于隐蔽观察，经常被安装在如天花板或墙壁等地方。

3、接口类型分
1）、C 型镜头
法兰焦距是安装法兰到入射镜头的平行光的汇聚点之间的距离。

法兰焦距为17.526mm 或0.690英寸（图像传感器到镜头之间的法兰距），安装螺纹为：1"X1/32" (即25.4mmX0.8mm)。

2）、CS 型镜头
法兰焦距为12.5mm(图像传感器到镜头之间的法兰距)。

安装螺纹为：1"X1/32" (即25.4mmX0.8mm)。

3）、3U 型镜头
一种可变焦距的镜头，其法兰焦距为 47.526mm 或 1.7913英寸，安装罗纹为 M42×1mm。

二、光圈常识
镜头有一个控制透光量的装置，就叫光圈．光圈开的大，透光量便大；开的小，透光量便小．但只靠光圈还不能完全描述作用于传感器上的光线强度，镜头与软片间的距离也有关系，也就是和镜头的焦距有关系．焦距小光圈离软片较近，光线的作用便较强。

光圈系数，光圈系数是镜头焦距除以光圈的直径所得的值，用ｆ表示．例如有甲镜头的焦距为50ｍｍ，最大光圈直径为25ｍｍ，则光圈系数是50／25＝2 ，我们说它是ｆ2的镜头，镜头的光圈都已标准化，就是 f1、f1.2、f1.4,f2、f2.8、f4、f5.6、f8、f11、f16、f22、f32等。

1、光圈的功能：
1）、控制光量的透入：光线透过镜头射到传感器的强度是和光圈系数平方成反比，也就是相邻两级的光圈作用传感器上的光线强度有两倍的关系。

ｆ2是ｆ2.8的２倍
2）、调节景深：所谓的景深，就是镜头对焦处前後所能成像清晰的范围，镜头焦距，光圈，
及被摄景物主体的距离有关，镜头焦距越短，光圈越小，被摄物的距离，景深越大清晰的范围越大，反之亦然。

三、快门常识
快门是控制曝光时间长短的机关，快门的功能有：
1、开启时间的长短来控制透入光量的多寡。

假若被摄体的明度和镜头的光圈不变，快门开启时间长，作用於传感器的光量多，快门开启时间短，作用于传感器的光量少。

快门开启时间的长短叫做快门速度（Shutter speed)。

为便于调整曝光，各种相机的快门速度分级都以标准化，即 4, 2, 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/15,1/30, 1/60, 1/125, 1/250, 1/500, 1/1000, 1/2000, 1/4000, 通常用B和T来表示，B为Bubble的缩写，代表按下快门钮时快门便开启，放松便关闭。

T是Time 的缩写，代表按下快门钮时快门便开启，再按一次才关闭。

2、配合光圈曝光：摄影曝光正确，才能产生层次丰富细节清晰的照片。

曝光要正确，必需将快门速度和光圈适当配合。

控制镜头进光量，需要由镜头的所谓"孔径光阑"(Diaphragm)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。

四、镜头的光学特性
主要包括成像尺寸、焦距、相对孔径和视场角等几个参数
1、成像尺寸：镜头一般可分为1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等几种规格，当前1／3英寸镜头是应用的主流，自动光圈镜头销售量最多，变焦镜头是应用发展的趋势。

，选用镜头时一定要牢记一点：镜头的成像尺寸必须大于或等于摄像机靶面的尺寸，如果镜头的成像尺寸大的话，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。

如果镜头的成像尺寸小的话，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四个角上出现黑角，俗称为“偷窥”现象。

2、焦距：经常会有用户提出该摄像机能看清多远的物体或该摄像机能看清多宽的场景等问题，这实际上由所选用的镜头的焦距来决定。

因为焦距决定了摄取图像的大小，用不同焦距的镜头对同一位置的某物体摄像时，配长焦距镜头则摄取的景物尺寸就大，反之配短焦距镜头的则摄取的景物尺寸就小。

当然被摄物体成像的清晰度还与所选用摄像机的分辨率及监视器的分辨率有关。

3、相对孔径：镜头光圈一般用F表示，F取值以镜头的焦距／通光孔径d的比值来衡量，F=f/d，每个镜头上均标有其最大的F值。

镜头有自动光圈(auto iris)和手动光圈(manual iris)之分。

自动光圈用于被照物光线变化较多场合，手动光圈用于被照物光线稳定之处。

自动光圈
镜头有二种驱动方式：一类为视频输入型Video driver(with Amp)，它将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，这种视频输入型镜头内包含有放大器电路，用以将摄像机传来的视频信号转换成对光圈马达的控制，另一类称为DC输入型(DC driverno Amp)，它利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈，这种镜头内只包含电流计式光圈马达，摄像机内没有放大器电路，二种驱动方式产品不具可互换性。

（三可变镜头：光圈、聚焦、焦距均需人为调节。

二可变镜头：通常是自动光圈镜头，而聚焦和焦距需人为调节。

单可变镜头：一般是自动光圈和自动聚焦的镜头，而焦距需人为调节。

）
4、视场角：在镜头规格及镜头焦距一定的前提下，CS型接口镜头的视场角将大于C型接口镜头的视场角。

镜头视场角可分为图像水平视场角以及图像垂直视场角，且图像水平视场角大于图像垂直视场角，通常我们所讲的视场角一般是指镜头的图像水平视场角。

在狭小的被监视环境中如电梯轿箱内，狭小房间均应采用短焦距广角或超广角定焦镜头，不宜采用变焦(倍)镜头。

在开阔的被监视环境中，首先应根据被监视环境的开阔程度，用户要求在系统末端监视器上所看到的被监视场景画面的清晰程度，以及被监视场景的中心点到摄像机镜头之间的直线距离为参考依据，在直线距离一定且满足覆盖整个被监视场景画面的前提下，应尽量考虑选用长焦距镜头。

正确选用镜头焦距的理论计算摄取景物的镜头视场角是极为重要的参数，镜头视场角随镜头焦距及摄像机规格大小而变化，覆盖景物镜头的焦距可用下述公式计算：(1)f=u·D/U (2)f=h·D/H f：镜头焦距、U：景物实际高度、H：景物实际宽度、D：镜头至景物实测距离、u：图像高度、h：图像宽度举例说明：当选用1/2″镜头时，图像尺寸为u=4.8mm，h=6.4mm。

镜头至景物距离D=3500mm，景物的实际高度为U=2500mm(景物的实际宽度可由下式算出H=1.333·U）。

将以上参数代入公式(1)中，可得f=4.8·3500/2500=6.72mm，故选用6mm定焦镜头即可。

五、选择镜头的技术依据
1、镜头的成像尺寸
应与摄像机C C D靶面尺寸相一致，有1英寸、2／3英寸、1／2英寸、1／3英寸、1／4英寸、摄像机靶面大小分为：
1英寸----靶面尺寸为宽12.7mm×高9.6mm,对角线16mm。

2/3英寸----靶面尺寸为宽8.8mm×高6.6mm,对角线11mm。

1/2英寸----靶面尺寸为宽6.4mm×高4.8mm,对角线8mm。

1/3英寸----靶面尺寸为宽4.8mm×高3.6mm,对角线6mm。

1/4英寸----靶面尺寸为宽3.2mm×高2.4mm,对角线4mm。

2、镜头焦距与视野角度
首先根据摄像机到被监控目标的距离，选择镜头的焦距，镜头焦距f确定后，则由摄像机靶面决定了视野。

3、光圈或通光量
镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量，以F为标记，每个镜头上均标有其最大的F值，通光量与F值的平方成反比关系，F值越小，则光圈越大。

六、不同种类镜头的应用范围
1、手动光圈镜头：，手动光圈由数片金属薄片构成。

光通量靠镜头外径上的—个环调节。

旋转此圈可使光圈收小或放大，适用于光照条件相对稳定的条件下。

2、自动光圈镜头：自动光圈镜头的光圈的动作由马达驱动，马达受控于摄像机的视频信号。

适用于在照明条件变化大的环境中或是用来监视某个固定目标，比如在户外或人工照明经常开关的地方。

七、決定鏡頭品質因素:
1、采用镜片数目(多类型镜片组合可减少色偏改善焦聚等問題但会減少透光率)。

2、镜片透光率(好镜片透光率佳价格贵,差镜片較会阻挡光线通过)。

3、镀层与研磨(镜片镀层与研磨技术影响镜片品质)。

4、机械裝置(镜头內部机械结构精密度影响镜片移动精確度及可靠度)。

八、镜头工作原理简介:
1、镜头是由许多凹凸镜片组合而成。

2、各种不同数量的镜片经由有順序排列组合行程各种不同焦距之镜头。

3、镜头內部有部分镜片为可移移式，以利得到宽广之使用范围。

九、光学镜头的性能评价
1、解像力：镜头的解像力指的是镜头对于被摄体的点像，它的再现能力。

解像力的评估是将逐渐变细的黑白条纹图表，以一定的倍率拍摄后，使用50倍的显微镜检视底片影像来进行的。

我们常听到解像力到达50线、100线这种数值表示，指的是底片上一毫米的宽度中，可以清晰地再现出来的黑白条纹的线数。

2、反差：摄影作品的鲜锐度，亦即明暗对比的程度。

如黑与白的再现比很清晰，反差就大，不清晰时反差就小。

解像度和反差都很大的镜头，具备高鲜锐度和高清晰度的优点，就是一般公认的高性能镜头。

3、色彩平衡：透过镜头被拍摄的作品，与原被摄体相较它的色彩再出的真实度。

4、周边光量：镜头明亮度取决于F值（光圈值），这表示在镜头的光轴上，也就是画面中心的影像的明亮度。

到于画面旁边的明亮度（像面的照度），则称为周边光量，以百分比来表示。

周边光量因受到镜头渐晕现象及余弦四次方定律的影响，与中心部相比，明亮度必然减少。

5、渐晕现象：投射到画面旁边的光线，没有全部通过有效口径（即光圈直径），被光圈前后的镜片框所遮挡，因而导致周边部光量低落的现象，叫渐晕现象。

6、余弦四次方定律：即使视角很广，完全没有渐晕现象的镜头，它的周边光量仍然比画面中心少。

画面周边的影像，是经由和光轴有着某种倾斜角度的入射光束所形成的，它的明亮度和倾斜角的余弦的四次方成比例而降低。

7、遮蔽：由于遮光罩的前端或滤片框把射入镜头的光线遮掉一部份，使得画面角落的影像发暗，或画面整体变淡的现象。

原本是指应该进来的光线，因为受到某种妨疑，而使成像产生不良影响的现象之总称。

8、光斑：镜片的表面反射或镜筒、反光镜组的内面所引起的反射光，到达底面后造成画面整体或一部份产生了朦胧，降低了图像的鲜锐度。

这种有害反射光称之为光斑或耀光。

镜片的镀膜及内面防反射处理的加强，固然可以大幅度地减少光斑，但被摄体的状况并不相同，不可能完全消除。

因此，选用合适的遮光罩是绝对必要的。

9、鬼影：光斑的一种，当太阳光或强光进入画面内时，在镜片表面重复引起复杂的反射后，在光源相对的位置所形成的清晰映像。

为了与光斑区分，取其像幽灵之特微而称为鬼影。

光圈前的镜片表面反射所引起的鬼影，形状一如光圈开口，光圈后的反射则形成失焦的光晕状鬼影。

画面外的强光也常常造成鬼影的产生，使用遮光罩遮挡有害光线，摄影时利用景深钮的功能，在实际光圈下确认画面的情况，是预防鬼影出现的不二法门。

10、镀膜：光线在射入或射出镜片时，由于折射率的不同，在各个镜片与空气界面上，约有5%的光线反射出去。

这不单单是镜片的透过光线减少而已，表面的重复反射也是造成光斑和鬼影产生的主要原因。

为了防止这种反射所做的处理称为镀膜。