第四节 镜头的选用

第四节

镜头的选用、安装、调试学习目标 知道常用镜头的种类，能根据现场情况选用不同的镜头，能将镜头与其他设备进行连接。任务引入 摄像机是通过镜头将监视目标成像在图像传感器靶面上，镜头是摄像机必不可少的重要部件。在视频安防监控系统中，摄像机一般是指不包括镜头的裸机。它的质量（指标）优劣直接影响摄像机的整机指标，因此，摄像机镜头的选择是否恰当既关系到系统质量，又关系到工程造价。在实际使用中需根据应用的具体要求，选择一个合适的镜头与摄像机配套。镜头,由一组透镜和光阑组成的光学器件。它与摄像机配合实现三项基本功能：1、成像：从图像的角度是取景，确定视场范围。2、进光量控制：通过光圈调节或与摄像机配合实现进光量控制，以适应各种光照条件。3、确定应用方式：针对不同的应用和安装方式，镜头有不同的型式和结构，以便安装、隐蔽或在特殊的条件下应用。光阑图光学成像原理光学成像：通过光学镜头把现实空间（物空间）的物体，成像在感光靶面（像空间）上。光学零件：用塑料、玻璃、晶体等介质材料制成的反射镜、透镜、棱镜等。光组：光学零件按一定方式的组合称为光学系统。实际使用的摄像机镜头都是由许多单元透镜组合而成的。理想光学系统的物像关系理想光组：理想光组的基本性质：点成点像线成线像对称轴共轭理想光学系统的基本点面：焦点与焦面主点与主面焦距一、镜头的参数成像尺寸靶面尺寸一般分为25.4mm（１in）、16.9mm（2/3in）、12.7mm（1/2in）、8.47mm（1/3in）和6.35mm（1/4in）等几种，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。如表所示：

表2-1几种常见CCD芯片的靶面尺寸（单位：mm）水平12.78.86.44.83.66.35（1/4＇＇）8.47（1/3＇＇）12.7（1/2＇＇）

16.9（2/3＇＇）

25.4（1＇＇）

垂直9.66.64.83.62.7对角线1611864.5标称芯片尺寸感光靶面尺寸由表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a），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（参见图b）。镜头成像面CCD靶面8.4712.7镜头成像面CCD靶面12.78.47图a图b２、焦距摄像机能看清多远的物体或多宽的场景等问题，这实际上由所选的镜头的焦距来决定。

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，配短焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就小。用长焦距镜头(望远镜头)拍摄远景可使远处的景物在照片显得近些，在自然、运动和人物像摄影中经常要用到这种镜头。短焦距镜头(宽角度)的视角很大，拍摄大范围景物或在狭小房间内拍摄时最好用这种镜头。选配镜头焦距的计算：

f=hD/Hf=vD/V其中：D：镜头中心到被摄物体的距离

H：被摄物体的水平尺寸

h：靶面成像的水平宽度

V：被摄物体的垂直尺寸

v：靶面成像的高度VDfHh透镜2、焦距由物方射入一束平行且接近光轴的光，经过镜头的多组透镜，出射光线交于光轴F点，称为焦点。焦点到镜头中心的距离是焦距(过入射光线与出射光线的交点作垂直于光轴的平面，平面与光轴的交点是镜头的中心)，焦距一般用f表示，单位是mm（毫米）。组合透镜F 焦距f镜头中心光轴焦点FCCD靶面(成像面)光轴f1f2后截距透镜镜头焦距与成像关系

前透镜后透镜取景f2时成像图f1时成像图

镜头的焦距决定了该镜头拍摄的被摄体在CCD上所形成影像的大小，焦距越短，拍摄范围就越大，相对物体变小，适合在近距离拍摄较大的场景，也就是广角镜头。当已知被摄物体的大小及该物体到镜头距离，则可根据式（3-1）、式（3-2）估算所选配镜头的焦距。

f=hD/H（3-1）

f=vD/V（3-2）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：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1/2in，由表4－1查得其对应的靶面垂直尺寸为4.8mm，则镜头的焦距：

f＝vD/V＝4.8×3000/1800＝8.02mm

所以该现场摄像机的镜头应选配焦距为8mm的镜头。只有变焦镜头的焦距是连续可变的，手动调焦镜头调节调焦环并不改变焦距。调焦环上标有0.5、1、2、4、∞表示物体距离为0.5m、1m、3m、4m、∞时调焦最好，图像最清晰。3、相对孔径相对孔径A是入射光瞳直径D（镜头实际的有效孔径）与焦距f之比，即：A=D/f

镜头都标出相对孔径最大值，例如一个镜头标有“TVLENS8mm1∶1.4”表示这是一个电视镜头，焦距为8mm，最大相对孔径是1∶1.4，也就说镜头允许的最大射光束直径D为5.7mm。光圈是相对孔径的倒数，用F示表，F16就是相对孔径D／f=1∶16，在镜头的调节环上将字母F省略，光圈调节环上常标有的1.4、2、2.8、4、5.6、8、C是光圈数。当光瞳直径为零时用C来表示叫全光闭，4、光圈

光圈是摄像机光学系统中专门设计的一个可以改变其中央通光孔径大小的孔径光阑。它一般由一组光圈叶片构成，调节摄像镜头上的光圈调节环，可以改变该光孔的直径大小，控制通过镜头的光通量，使CCD上获得适宜的照度。光圈的作用有3个：

(1)控制通过镜头的光通量的大小；

(2)控制所摄画面的景深大小

(3)改善像质。光圈F值是光圈“系数”，是相对光圈，并非光圈的物理孔径，与光圈的物理孔径及镜头到感光器件距离有关。光圈大小用F值表示.即:

光圈F值=镜头的焦距f/镜头口径的直径D

从以上的公式可知要达到相同的光圈F值，长焦距镜头的口径要比短焦距镜头的口径大。

当光圈物理孔径不变时，镜头中心与感光器件距离愈远，F数愈小，反之镜头中心与感光器件距离愈近，通过光孔到达感光器件的光密度愈高，F数就愈大。

当光圈物理孔径不变时，镜头中心与感光器件距离愈远，F数愈小，反之，镜头中心与感光器件距离愈近，通过光孔到达感光器件的光密度愈高，F数就愈大。完整的光圈值系列如下：F1.2，F1.4，F2，F2.8，F4，F5.6，F8，F11，F16等。这里值得一提的是光圈F值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多，而且上一级的进光量刚是下一级的一倍，例如光圈从F8调整到F5.6，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。5、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及摄像机靶面尺寸的大小有关，镜头的水平视场角α及垂直视场角β可分别由下式来计算多组前透镜F 焦距f光轴视场角H(V)α=2arcth(V/2f)β=2arcth(h/2f)H(v)多组后透镜

由上式可知，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；而若所选择的镜头视场角太大，又可能造成被监视主体画面尺寸太小，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，又能使被监视主体画面尽可能大而清晰。6.C和CS安装接口

C和CS安装接口是国际标准接口，都是25.4mm（1英寸）-32UN英制螺纹连接。

C型接口的装座距离(安装基准面)至成像靶像面的空气光程为17.526mm。

CS型接口的装座距离(安装基准面)至成像靶像面的空气光程为12.5mm。注意事项:1)C接口的镜头可以通过一个C型接口适配器再安装在CS接口的摄像机上，如图所示。如果不用适配器强行安装会损坏摄像机的光电传感器。

CS接口的镜头不能安装在C接口的摄像机上。有的摄像机有后截距调整环，允许使用C接口或CS接口的镜头。使用C接口镜头时，松开侧面紧固螺丝后，面对镜头将后截距调整环顺时针旋转调整，若用力逆时针旋转会损坏摄像机的光电传感器，使用CS接口镜头时，将后截距调整环逆时针旋转调整。

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。

二、摄像机镜头的种类a、按焦距分类b、按视场分类广角镜头标准镜头狭窄镜头远摄镜头短焦距镜头中焦距镜头长焦距镜头变焦距镜头价格差距很大（电动变焦镜头是普通定焦镜头的5-10倍）c、按结构分类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（两可变）电动三可变（指光圈、焦距、聚焦这三者均可变）针孔镜头手动变焦镜头

定焦镜头

针孔镜头自动光圈手动调焦

焦距（Zoom）聚焦（Focus）1.固定光圈定焦镜头特点：1）镜头仅设有手动调整对焦调整环（环上标有若干距离参考值）。左右旋转该环可使CCD靶面的成像最为清晰，由此在监视器屏幕上得到最为清晰的图像。（实质调聚焦）2）镜头光圈不可调整。进入镜头的光通量不能通过改变镜头因素而改变，只能通过改变被摄现场光照度来调整，一般应用于光照度比较均匀的场合，其他场合需与带有自动电子快门功能的CCD摄像机合用（目前市面上绝大多数的CCD摄像机均带有自动电子快门功能），通过电子快门的调整来模拟光通量的改变。价格最低2.手动光圈定焦镜头特点：

增加了光圈调整环，光圈调整范围一般可从F1.2或F1.4到全关闭。安装时通过手动调整适应被摄现场的光照度。因此，这种镜头一般也是应用于光照度比较均匀的场合，其他场合也需与带有自动电子快门功能的CCD摄像机合用，由电子快门的调整来模拟光通量的改变。价格比较低3.自动光圈定焦镜头1）原理：

自动光圈镜头控制原理与人眼控制进光原理相同，可变孔径光阑相当于人眼的瞳孔，CCD光电传感器相当于人眼的视网膜。当人眼感觉到现场光线过强时，大脑控制肌肉动作会使瞳孔收缩，以减少眼球的进光；当人眼感到现场光线太暗时，大脑控制肌肉动作使瞳孔扩张，以增加眼球的进光，这样视网膜上始终感受到的是合适的光强。a、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齿轮啮合传动微型电机，由摄像头驱动电路输出3芯或4芯线控制自动光圈镜头，使镜头内的微型电机作相应的正向或反向转动，从而调节光圈的大小。b、自动光圈镜头分为含放大器（视频驱动型）与不含放大器（直流驱动型）两种规格。3.自动光圈定焦镜头价格是手动光圈定焦镜头的一倍3）使用：在室外，当环境照度变化范围远大于摄像机自动增益控制范围，应采用自动光圈镜头。2）特点：4.手动变焦镜头特点：焦距是手动可变的。手动变焦镜头有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距；其变比一般为2-3倍，焦距一般在3.6～8mm之间变化。在实际工程应用中，通过手动调节镜头的变焦环，可以方便地选择监视现场的视场角。α=2arcth(V/2f)β=2arcth(h/2f)在一定范围内不出现盲区，在对环境不十分了解时采用是必要的。日本腾龙（TAMRON）公司13VM2812AS焦距2.8～12mm，几乎适应任何室内定点监视的场合。5.自动光圈电动变焦镜头特点：与自动光圈定焦镜头相比增加了两个微型电动机，其中一个电动机与镜头的变焦环啮合，当其受控而转动时可改变镜头的焦距（Zoom）；另一个电动机与镜头的对焦环啮合，当其受控而转动时可完成镜头的对焦（Focus）。由于该镜头增加了两个可遥控调整的功能，因而此种镜头也称作电动两可变镜头。思考：手动、自动、电动三者区别？自动光圈电动变焦镜头控制线接线图

红线(RED)Vcc(+)黑线(BLACK)Vcc(-)白线(WHITE)视频信号绿线(GREEN)未用屏蔽线(SHIELD)地线关(Close)开(Open)自动光圈电路M红线黑线白线绿线屏蔽线NearFer绿线(GREEN)+-黑线(BLACK)-+M远(Far)近(Near)DC8V绿线黑线聚焦M广角(Wide)望远(Tele)DC8V黄线红线变焦TeleWide黄(YELLOW)+-红(RED)-+6.电动三可变镜头特点：与前述电动两可变镜头结构相差不多，只是对光圈调整电动机的控制方式由自动改为通过控制器进行手动控制，因此它也包含3个微型电动机，引出一组6芯控制线与云台、镜头控制器及解码器相连。图为该镜头控制线的接线图。（指光圈、焦距、聚焦这三者均可变）电动三可变镜头控制线接线图

M关(Close)开(Open)DC8V白线棕线CloseOpen白线(WHITE)+-棕线(BROWN)-+M远(Far)近(Near)DC8V绿线黑线聚焦NearFer绿线(GREEN)+-黑线(BLACK)-+TeleWide黄(YELLOW)+-红(RED)-+M广角(Wide)望远(Tele)DC8V黄线红线说明：变焦镜头的“倍率”与焦距是两个不同的概念，倍率是变焦镜头的最长焦距与最短焦距之比，是一个相对值。例如，同样是6倍镜头，市面上常见的就有6～36mm、7～42mm、8～48mm和8.5～51mm等多种不同厂家的不同品种。8.5～51mm镜头6～36mm镜头（好）近视（广角）特性远视特性（好）§4.4摄像机的使用安装镜头连接电源线与信号线调整镜头光圈与对焦后焦距的调整一、安装镜头根据应用现场选配合适的镜头定焦、变焦镜头的选用取决于被监视场景范围的大小，以及所要求被监视场景画面的清晰程度。手动、自动光圈的选用取决于环境的照度是否恒定。镜头与摄像机的接口二、连接电源线与信号线电源：一般为直流12V，有些为交流24V或220V。视频信号：通过摄像机后面板上的BNC插座引出，用具有BNC插头的75欧姆同轴电缆，一端接摄像机视频输出插座，另一端接监视器。音频信号：内置传声器的摄像机，后面板上有一个输出声音的RCA插座，用具有RCA插头的屏蔽电缆，一端接摄像机，一端接监视器的音频输入端。三、调整镜头光圈与对焦一般情况：光照度变化较大的场合自动光圈手动光圈四、后焦距的调整后焦距：也叫背焦距，指当安装上标准镜头时，能使被摄景物的成像恰好在CCD图像传感器的靶面上。调整场合：一般不需调整。如果出现当镜头对焦环调整到极限位置时仍不能使图像清晰，此时首先应确认镜头的接口是否正确。如正确，就需要对摄像机的后焦距进行调整。调整步骤：彩色摄像机后焦距调整的步骤如下：

a、将镜头正确安装到彩色摄像机上。

b、将镜头光圈尽可能开到最大（目的是缩小景