摄像机镜头常识解析
时间：2011-09-14 阅读：1155
镜头的种类繁多，从焦距上分类，可分为短焦距、中焦距、和焦距和变焦距镜头；从视场的大小分类，可分为广角、标准、远摄镜头；从结构上分类，还可分为固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头、电动三可变镜头（指光圈、焦距、聚焦这三者均可变）等类型。由于镜头选择得合适与否，直接关系到摄像质量的优劣，因此，在实际应用中必须合理选择镜头。
1、镜头的参数
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。
A、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2-1列出了几种常见CCD芯片的靶面尺寸，表中单位为mm。
标称芯片尺寸
CCD感光靶面尺寸25.416.912.78.476.35
对角线1611864.5
垂直9.66.64.83.62.7
水平12.78.86.44.83.6
表2-1几种常见CCD芯片的靶面尺寸
由表2-1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2-2），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。
B、焦距
在实际应用中，经常会有用户提出该摄像机能看清多么远的物体或该摄像机能看清多么宽的场景等问题，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，配长焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大，反之，配短焦距镜头的摄像机所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的CCD摄像机的分辨率及监视器的分辨率有关。
理论上，任何一种镜头均可拍摄很远的物体，并在CCD靶面上成一很小的像，但受CCD单元（像素）物理尺寸的限制，当成像小到小于CCD传感器的一个像素大小时，便不再能形成被摄物体的像，即使成像有几个像素大小，该像也难以辨识为何物。
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=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；v为靶面成像的高度；h为靶面成像的水平宽度。
成像场景的大小与成像物体的显示尺寸是互相矛盾的，举个例子来说，用同一支摄像机对同一个停车场进行监视，选用短焦距镜头可以对整个停车场的全景进行监视并看到出入口外的车辆进出，但却不能看清该辆车的牌照号码（该车在监视器屏幕上仅占据了很小的面积）；而选用长焦距镜头虽可以看清该辆车的牌照号码（该车占据了屏幕上的大部分面积），却又不能监视到整个停车场的全貌。因此当需要既监视全景以要看清局部时，一般应考虑配用电动两可变或电动三可变镜头。当然，在选定了镜头的前提下，选用高分辨率的摄像机及监视器则可以在被监视物体成像尺寸较小时也能看清局部细节。
C、相对孔径
为了控制通过镜头的光通量大小，在镜头的后部均设置了光阑（俗称光圈）。假定光阑的有效孔径为d，由于光线折射的关系，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
镜头的相对孔径决定于被摄像的照度，像的照度E与镜头的相对孔径平方成正比，一般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一般称为光栏F数，标注在镜头光栏调整圈上，其标值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等序列值，每两个相邻数值中，后一个数值是前一个数值的倍。由于像面照度与光栏的平方成正比，所以光栏每变化一档，像面亮度就变化一倍。F值越小，光栏越大，到达摄像机靶面的光通量就越大。
D、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。如果所选择的镜头的视场角太小，可能会因出现监视死角而漏监；而若所选择的镜头的视场角太大，又可能造成被监视的主体画面尺寸太小，难以辨认，且画面边缘出现畸变。因此，只有根据具体的应用环境选择视场角合适的镜头，才能保证既不出现监视死角，又能使被监视的主体画面尽可能大而清晰。
表2-2列出了几种常用镜头的水平视场角，表中的参数是以日本精工系列镜头为参考给出的。
焦距/mm
镜头尺寸/in2.83.54.04.86.08.012.016.025.0
1/386.367.462.052.242.332.622.117.110.6
1/294.669.457.142.629.722.614.2
2/359.230.819.427.8