【參數(shù)全解】 攝像機(jī)鏡頭變焦光圈技術(shù)性能參數(shù)

1、 鏡頭的分類 

    按外形功能分 按尺寸大小分 按光圈分 按變焦類型分 按焦距長(zhǎng)矩分 

    球面鏡頭 1" 25mm 自動(dòng)光圈 電動(dòng)變焦 長(zhǎng)焦距鏡頭 

    非球面鏡頭 1/2" 3mm 手動(dòng)光圈 手動(dòng)變焦 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭 

    **鏡頭 1/3" 8.5mm 固定光圈 固定焦距 廣角鏡頭 

    魚眼鏡頭 2/3" 17mm 

    （1）以鏡頭安裝分類 所有的攝象機(jī)鏡頭均是螺紋口的，CCD攝象機(jī)的鏡頭安裝有兩種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即C安裝座和CS安裝座。兩者螺紋部分相同，但兩者從鏡頭到感光表面的距離不同。 C安裝座：從鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點(diǎn)的距離是17.526mm。 CS安裝座：特種C安裝，此時(shí)應(yīng)將攝象機(jī)前部的墊圈取下再安裝鏡頭。其鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點(diǎn)的距離是12.5mm。如果要將一個(gè)C安裝座鏡頭安裝到一個(gè) CS安裝座攝象機(jī)上時(shí)，則需要使用鏡頭轉(zhuǎn)換器。 

    （2）以攝象機(jī)鏡頭規(guī)格分類 攝象機(jī)鏡頭規(guī)格應(yīng)視攝象機(jī)的CCD尺寸而定，兩者應(yīng)相對(duì)應(yīng)。即 攝象機(jī)的CCD靶面大小為1／2英寸時(shí)，鏡頭應(yīng)選1／2英寸。 攝象機(jī)的CCD靶面大小為1／3英寸時(shí)，鏡頭應(yīng)選1／3英寸。 攝象機(jī)的CCD靶面大小為1／4英寸時(shí)，鏡頭應(yīng)選1／4英寸。 如果鏡頭尺寸與攝象機(jī)CCD靶面尺寸不一致時(shí)，觀察角度將不符合設(shè)計(jì)要求，或者發(fā)生畫面在焦點(diǎn)以外等問題。 

    （3）以鏡頭光圈分類 鏡頭有手動(dòng)光圈（manual iris）和自動(dòng)光圈（auto iris）之分，配合攝象機(jī)使用，手動(dòng)光圈鏡頭適合于亮度不變的應(yīng)用場(chǎng)合，自動(dòng)光圈鏡頭因亮度變更時(shí)其光圈亦作自動(dòng)調(diào)整，故適用亮度變化的場(chǎng)合。自動(dòng)光圈 鏡頭有兩類：一類是將一個(gè)視頻信號(hào)及電源從攝象機(jī)輸送到透鏡來控制鏡頭上的光圈，稱為視頻輸入型，另一類則利用攝象機(jī)上的直流電壓來直接控制光圈，稱為 DC輸入型。 自動(dòng)光圈鏡頭上的ALC（自動(dòng)鏡頭控制）調(diào)整用于設(shè)定測(cè)光系統(tǒng)，可以整個(gè)畫面的平均亮度，也可以畫面中最亮部分（峰值）來設(shè)定基準(zhǔn)信號(hào)強(qiáng)度，供給自動(dòng)光圈 調(diào)整使用。一般而言，ALC已在出廠時(shí)經(jīng)過設(shè)定，可不作調(diào)整，但是對(duì)于拍攝景物中包含有一個(gè)亮度極高的目標(biāo)時(shí)，明亮目標(biāo)物之影像可能會(huì)造成"白電平削波" 現(xiàn)象，而使得全部屏幕變成白色，此時(shí)可以調(diào)節(jié)ALC來變換畫面。 另外，自動(dòng)光圈鏡頭裝有光圈環(huán)，轉(zhuǎn)動(dòng)光圈環(huán)時(shí)，通過鏡頭的光通量會(huì)發(fā)生變化，光通量即光圈，一般用F表示，其取值為鏡頭焦距與鏡頭通光口徑之比，即：F＝ f（焦距）／D（鏡頭實(shí)際有效口徑），F(xiàn)值越小，則光圈越大。 采用自動(dòng)光圈鏡頭，對(duì)于下列應(yīng)用情況是理想的選擇，它們是： 在諸如太陽光直射等非常亮的情況下，用自動(dòng)光圈鏡頭可有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。 要求在整個(gè)視野有良好的聚焦時(shí)，用自動(dòng)光圈鏡頭有比固定光圈鏡頭更大的景深。 要求在亮光上因光信號(hào)導(dǎo)致的模糊最小時(shí)，應(yīng)使用自動(dòng)光圈鏡頭。 

    （4）以鏡頭的視場(chǎng)大小分類 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭：視角30度左右，在1／2英寸CCD攝象機(jī)中，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距定為12mm，在1／3英寸CCD攝象機(jī)中，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距定為8mm。 廣角鏡頭：視角90度以上，焦距可小于幾毫米，可提供較寬廣的視景。 遠(yuǎn)攝鏡頭：視角20度以內(nèi)，焦距可達(dá)幾米甚至幾十米，此鏡頭可在遠(yuǎn)距離情況下將拍攝的物體影響放大，但使觀察范圍變小。 變倍鏡頭（zoom lens）：也稱為伸縮鏡頭，有手動(dòng)變倍鏡頭和電動(dòng)變倍鏡頭兩類。 可變焦點(diǎn)鏡頭（vari-focus lens）：它介于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭與廣角鏡頭之間，焦距連續(xù)可變，即可將遠(yuǎn)距離物體放大，同時(shí)又可提供一個(gè)寬廣視景，使監(jiān)視范圍增加。變焦鏡頭可通過設(shè)置自動(dòng)聚 焦于最小焦距和最大焦距兩個(gè)位置，但是從最小焦距到最大焦距之間的聚焦，則需通過手動(dòng)聚焦實(shí)現(xiàn)。 **鏡頭：鏡頭直徑幾毫米，可隱蔽安裝。 

    （5）從鏡頭焦距上分 短焦距鏡頭：因入射角較寬，可提供一個(gè)較寬廣的視野。 中焦距鏡頭：標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，焦距的長(zhǎng)度視CCD的尺寸而定。 長(zhǎng)焦距鏡頭：因入射角較狹窄，故僅能提供狹窄視景，適用于長(zhǎng)距離監(jiān)視。 變焦距鏡頭：通常為電動(dòng)式，可作廣角、標(biāo)準(zhǔn)或遠(yuǎn)望等鏡頭使用。 

    2、選擇鏡頭的技術(shù)依據(jù) 

    （1）鏡頭的成像尺寸 應(yīng)與攝象機(jī)CCD靶面尺寸相一致，如前所述，有1英寸、2／3英寸、1／2英寸、1／3英寸、1／4英寸、1／5英寸等規(guī)格。 

    （2）鏡頭的分辨率 描述鏡頭成像質(zhì)量的內(nèi)在指標(biāo)是鏡頭的光學(xué)傳遞函數(shù)與畸變，但對(duì)擁護(hù)而言，需要了解的僅僅是鏡頭的空間分辨率，以每毫米能夠分辨的黑白條紋數(shù)為計(jì)量單位，計(jì) 算公式為：鏡頭分辨率N＝180／畫幅格式的高度。由于攝象機(jī)CCD靶面大小已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，如1／2英寸攝象機(jī)，其靶面為寬6.4mm＊高4.8mm， 1／3英寸攝象機(jī)為寬4.8mm＊高3.6mm。因此對(duì)1／2英寸格式的CCD靶面，鏡頭的最低分辨率應(yīng)為38對(duì)線／mm，對(duì)1／3英寸格式攝象機(jī)，鏡頭 的分辨率應(yīng)大于50對(duì)線，攝象機(jī)的靶面越小，對(duì)鏡頭的分辨率越高。 

    （3）鏡頭焦距與視野角度 首先根據(jù)攝象機(jī)到被監(jiān)控目標(biāo)的距離，選擇鏡頭的焦距，鏡頭焦距f確定后，則由攝象機(jī)靶面決定了視野。 

    （4）光圈或通光量 鏡頭的通光量以鏡頭的焦距和通光孔徑的比值來衡量，以F為標(biāo)記，每個(gè)鏡頭上均標(biāo)有其最大的F值，通光量與F值的平方成反比關(guān)系，F(xiàn)值越小，則光圈越大。所以應(yīng)根據(jù)被監(jiān)控部分的光線變化程度來選擇用手動(dòng)光圈還是用自動(dòng)光圈鏡頭。 

    3、變焦鏡頭（zoom lens） 變焦鏡頭有手動(dòng)伸縮鏡頭和自動(dòng)伸縮鏡頭兩大類。伸縮鏡頭由于在一個(gè)鏡頭內(nèi)能夠使鏡頭焦距在一定范圍內(nèi)變化，因此可以使被監(jiān)控的目標(biāo)放大或縮小，所以也常被 成為變倍鏡頭。典型的光學(xué)放大規(guī)格有6倍（6.0~36mm,F1.2）、8倍（4.5~36mm,F1.6）、10倍（8.0~80mm,F1.2）、 12倍（6.0~72mm,F1.2）、20倍（10~200mm,F1.2）等檔次，并以電動(dòng)伸縮鏡頭應(yīng)用最普遍。為增大放大倍數(shù)，除光學(xué)放大外還可施 以電子數(shù)碼放大。 在電動(dòng)伸縮鏡頭中，光圈的調(diào)整有三種，即：自動(dòng)光圈、直流驅(qū)動(dòng)自動(dòng)光圈、電動(dòng)調(diào)整光圈。其聚焦和變倍的調(diào)整，則只有電動(dòng)調(diào)整和預(yù)置兩種，電動(dòng)調(diào)整是由鏡頭 內(nèi)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，而預(yù)置則是通過鏡頭內(nèi)的電位計(jì)預(yù)先設(shè)置調(diào)整停止位，這樣可以免除成像必須逐次調(diào)整的過程，可精確與快速定位。在球形罩一體化攝像系統(tǒng)中，大 部分采用帶預(yù)置位的伸縮鏡頭。 另一項(xiàng)令用戶感興趣的則是快速聚焦功能，它由測(cè)焦系統(tǒng)與電動(dòng)變焦反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成。

    4、鏡頭與攝像機(jī)CCD尺寸的關(guān)系 1/2"鏡頭既可用于1/2"攝像機(jī)，也可用于1/3"攝像機(jī)，但視角會(huì)減少25%左右。1/3"鏡頭不能用于1/2"攝像機(jī)，只能用于1/3"攝像機(jī)。 

    5、不同種類鏡頭的應(yīng)用范圍 

    a 手動(dòng)、自動(dòng)光圈鏡頭的應(yīng)用范圍 手動(dòng)光圈鏡頭是的最簡(jiǎn)單的鏡頭，適用于光照條件相對(duì)穩(wěn)定的條件下，手動(dòng)光圈由數(shù)片金屬薄片構(gòu)成。光通量靠鏡頭外徑上的一個(gè)環(huán)調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)此圈可使光圈收小或 放大。 在照明條件變化大的環(huán)境中或不是用來監(jiān)視某個(gè)固定目標(biāo)，應(yīng)采用自動(dòng)光圈鏡頭，比如在戶外或人工照明經(jīng)常開關(guān)的地方，自動(dòng)光圈鏡頭的光圈的動(dòng)作由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)， 馬達(dá)受控于攝像機(jī)的視頻信號(hào)。 手動(dòng)光圈鏡頭和自動(dòng)光圈鏡頭又有定焦距（光圈）鏡頭自動(dòng)光圈鏡頭和電動(dòng)變焦距鏡頭之分。 

    b 定焦距（光圈）鏡頭，一般與電子快門攝像機(jī)配套，適用于室內(nèi)監(jiān)視某個(gè)固定目標(biāo)的場(chǎng)所作用。 定焦距鏡頭一般又分為長(zhǎng)焦距鏡頭，中焦距鏡頭和短焦距鏡頭。中焦距鏡頭是焦距與成像尺寸相近的鏡頭；焦距小于成像尺寸的稱為短距鏡頭，短焦距鏡頭又稱廣角 鏡頭，該鏡頭的焦距通常是28mm以下的鏡頭，短焦距鏡頭主要用于環(huán)境照明條件差，監(jiān)視范圍要求寬的場(chǎng)合，焦距大于成像尺寸的稱為長(zhǎng)焦距鏡頭，長(zhǎng)焦距鏡頭 又稱望遠(yuǎn)鏡頭，這類鏡頭的焦距一般在150mm以上，主要用于監(jiān)視較遠(yuǎn)處的景物。 

    c 手動(dòng)光圈鏡頭，可與電子快門攝像機(jī)配套，在各種光線下均可使用。 

    d 自動(dòng)光圈鏡頭，（EF）可與任何CCD攝像機(jī)配套，在各種光線下均可使用，特別用于被監(jiān)視表面亮度變化大、范圍較大的場(chǎng)所。為了避免引起光暈現(xiàn)象和燒壞靶面，一般都配自動(dòng)光圈鏡頭。 

    e 電動(dòng)變焦距鏡頭，可與任何CCD攝像機(jī)配套，在各種光線下均可使用，變焦距鏡頭是通過遙控裝置來進(jìn)行光對(duì)焦，光圈開度，改變焦距大小的。 

    6、鏡頭的主要性能指標(biāo)有以下幾個(gè)： 

    a 焦距：焦距的大小決定著視場(chǎng)角的大小，焦距數(shù)值小，視場(chǎng)角大，所觀察的范圍也大，但距離遠(yuǎn)的物體分辨不很清楚；焦距數(shù)值大，視場(chǎng)角小，觀察范圍小，只要焦 距選擇合適，即便距離很遠(yuǎn)的物體也可以看得清清楚楚。由于焦距和視場(chǎng)角是一一對(duì)應(yīng)的，一個(gè)確定的焦距就意味著一個(gè)確定的視場(chǎng)角，所以在選擇鏡頭焦距時(shí)，應(yīng) 該充分考慮是觀測(cè)細(xì)節(jié)重要，還是有一個(gè)大的觀測(cè)范圍重要，如果要看細(xì)節(jié)，就選擇長(zhǎng)焦距鏡頭；如果看近距離大場(chǎng)面，就選擇小焦距的廣角鏡頭。 

    b 光闌系數(shù)：即光通量，用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來衡量。每個(gè)鏡頭上都標(biāo)有最大F值，例如6mm/F1.4代表最大孔徑為4.29毫米。光 通量與F值的平方成反比關(guān)系，F(xiàn)值越小，光通量越大。鏡頭上光圈指數(shù)序列的標(biāo)值為1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22等，其規(guī)律是前一 個(gè)標(biāo)值時(shí)的曝光量正好是后一個(gè)標(biāo)值對(duì)應(yīng)曝光量的2倍。也就是說鏡頭的通光孔徑分別是1/1.4，1/2，1/2.8，1/4，1/5.6，1/8， 1/11，1/16，1/22，前一數(shù)值是后一數(shù)值的根號(hào)2倍，因此光圈指數(shù)越小，則通光孔徑越大，成像靶面上的照度也就越大。另外鏡頭的光圈還有手動(dòng) （MANUAL IRIS）和自動(dòng)光圈（AUTO IRIS）之分。配合攝像頭使用，手動(dòng)光圈適合亮度變化不大的場(chǎng)合，它的進(jìn)光量通過鏡頭上的光圈環(huán)調(diào)節(jié)，一次性調(diào)整合適為止。自動(dòng)光圈鏡頭會(huì)隨著光線的變 化而自動(dòng)調(diào)整，用于室外、入口等光線變化大且頻繁的場(chǎng)合。 

    c 自動(dòng)光圈鏡頭：自動(dòng)光圈鏡頭目前分為兩類：一類稱為視頻（VIDEO）驅(qū)動(dòng)型，鏡頭本身包含放大器電路，用以將攝像頭傳來的視頻幅度信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)光圈馬達(dá) 的控制。另一類稱為直流（DC）驅(qū)動(dòng)型，利用攝像頭上的直流電壓來直接控制光圈。這種鏡頭只包含電流計(jì)式光圈馬達(dá)，要求攝像頭內(nèi)有放大器電路。對(duì)于各類自 動(dòng)光圈鏡頭，通常還有兩項(xiàng)可調(diào)整旋鈕，一是ALC調(diào)節(jié)（測(cè)光調(diào)節(jié)），有以峰值測(cè)光和根據(jù)目標(biāo)發(fā)光條件平均測(cè)光兩種選擇，一般取平均測(cè)光檔；另一個(gè)是 LEVEL調(diào)節(jié)（靈敏度），可將輸出圖像變得明亮或者暗淡。4 變倍鏡頭：變倍鏡頭分為手動(dòng)MANUAL ZOOM LENS）和電動(dòng)（AUTO ZOOM LENS）兩種，手動(dòng)變倍鏡頭一般用于科研項(xiàng)目而不用在閉路監(jiān)視系統(tǒng)中。在監(jiān)控很大的場(chǎng)面時(shí)，攝像頭通常要配合電動(dòng)鏡頭和云臺(tái)使用。電動(dòng)鏡頭的好處是變焦 范圍大，既可以看大范圍的情況，也可以聚焦某個(gè)細(xì)節(jié)，再加上云臺(tái)可以上下左右的轉(zhuǎn)動(dòng)，可視范圍就非常大了。電動(dòng)鏡頭有6倍、10倍、15倍、20倍等多種 倍率，如果再知道基準(zhǔn)焦距，就可以確定鏡頭焦距的可變范圍。例如一個(gè)6倍電動(dòng)鏡頭，基準(zhǔn)焦距為8.5毫米，那么其變焦范圍就是8.5到51毫米連續(xù)可調(diào)， 視場(chǎng)角為31.3到5.5度。電動(dòng)鏡頭的控制電壓一般是直流8V~16V，最大電流為30毫安。所以在選控制器時(shí)，要充分考慮傳輸線纜長(zhǎng)度，如果距離太 遠(yuǎn)，線路產(chǎn)生的電壓下降會(huì)導(dǎo)致鏡頭無法控制，必須提高輸入控制電壓或更換視頻矩陣主機(jī)配合解碼器控制。 

    7、焦距的計(jì)算： 1公式計(jì)算法：視場(chǎng)和焦距的計(jì)算 視場(chǎng)系指被攝取物體的大小，視場(chǎng)的大小是以鏡頭至被攝取物體距離，鏡頭焦頭及所要求的成像大小確定的。 1、鏡頭的焦距，視場(chǎng)大小及鏡頭到被攝取物體的距離的計(jì)算如下； f=wL/W 2、f=hL/h 

    f；鏡頭焦距 

    w：圖象的寬度（被攝物體在ccd靶面上成象寬度） 

    W：被攝物體寬度 

    L：被攝物體至鏡頭的距離 

    h：圖象高度（被攝物體在ccd靶面上成像高度）視場(chǎng)（攝取場(chǎng)景）高度 

    H：被攝物體的高度 

    ccd靶面規(guī)格尺寸： 單位mm 規(guī)格 

    規(guī)格 1/3" 1/2" 2/3" 1" 

    W 4.8 6.4 8.8 12.7 

    H 3.6 4.8 6.6 9.6 

    由于攝像機(jī)畫面寬度和高度與電視接收機(jī)畫面寬度和高度一樣，其比例均為4:3,當(dāng)L不變，H或W增大時(shí)，f變小，當(dāng)H或W不變，L增大時(shí)，f增大。 2視場(chǎng)角的計(jì)算 如果知道了水平或垂直視場(chǎng)角便可按公式計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)寬度和高度。 水平視場(chǎng)角β（水平觀看的角度） β=2tg-1= 垂直視場(chǎng)角q（垂直觀看的角度） q=2tg-1= 式中w、H、f同上 水平視場(chǎng)角與垂直視場(chǎng)角的關(guān)系如下： q=或=q 表2中列出了不同尺寸攝像層和不同焦距f時(shí)的水平視場(chǎng)角b的值，如果知道了水平或垂直場(chǎng)角便可按下式計(jì)算出視場(chǎng)角便可按下式計(jì)算出視場(chǎng)高度H和視場(chǎng)寬度 W. H=2Ltg、W=2Ltg 例如；攝像機(jī)的攝像管為17mm(2/3in),鏡頭焦距f為12mm，從表2中查得水平視場(chǎng)角為40℃而鏡頭與被攝取物體的距離為2m，試求視場(chǎng)的寬度 w。 W=2Ltg=2×2tg=1.46m 則H=W=×1.46=1.059m 焦距f越和長(zhǎng)，視場(chǎng)角越小，監(jiān)視的目標(biāo)也就小。 圖解法 如前所示，攝像機(jī)鏡頭的視場(chǎng)由寬（W）。高（H）和與攝像機(jī)的距離（L）決定，一旦決定了攝像機(jī)要監(jiān)視的景物，正確地選擇鏡頭的焦距就由來3個(gè)因素決定； *.欲監(jiān)視景物的尺寸 *.攝像機(jī)與景物的距離 *.攝像機(jī)成像器的尺士：1/3"、1/2"、2/3"或1"。 圖解選擇鏡頭步驟： 所需的視場(chǎng)與鏡頭的焦距有一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系。利用這個(gè)關(guān)系可選擇適當(dāng)?shù)溺R頭。 估計(jì)或?qū)崪y(cè)視場(chǎng)的最大寬度；估計(jì)或?qū)崪y(cè)量攝像機(jī)與被攝景物間的距離；使用1/3"鏡頭時(shí)使用圖2，使用1/2鏡頭時(shí)使用圖3，使用2/3"鏡頭時(shí)使用圖 4，使用1鏡頭時(shí)使用圖5。

具體方法：在以W和L為座標(biāo)軸的圖示2-5中，查出應(yīng)選用的鏡頭焦距。為確保景物完全包含在視場(chǎng)之中，應(yīng)選用座標(biāo)交點(diǎn)上，面那 條線指示的數(shù)值。例如： 視場(chǎng)寬50m,距離40m,使用1/3"格式的鏡頭，在座標(biāo)圖中的交點(diǎn)比代表4mm鏡頭的線偏上一點(diǎn)。這表明如果使用4mm鏡頭就不能覆蓋50m的視場(chǎng)。 而用2.8mm的鏡頭則可以完全覆蓋視場(chǎng)。 

    f=vD/V 或 f=hD/H 

    其中，f代表焦距，v代表CCD靶面垂直高度，V代表被觀測(cè)物體高度，h代表CCD靶面水平寬度，H代表被觀測(cè)物體寬度。 

    舉例：假設(shè)用1/2"CCD攝像頭觀測(cè)，被測(cè)物體寬440毫米，高330毫米，鏡頭焦點(diǎn)距物體2500毫米。由公式可以算出： 焦距f=6.4X2500/440≈36毫米 或焦距f=4.8X2500/330≈36毫米 當(dāng)焦距數(shù)值算出后，如果沒有對(duì)應(yīng)焦距的鏡頭是很正常的，這時(shí)可以根據(jù)產(chǎn)品目錄選擇相近的型號(hào)，一般選擇比計(jì)算值小的，這樣視角還會(huì)大一些。