攝像機鏡頭常識解析
閱讀：1172發布時間：2011-9-14
鏡頭是電視監控系統中*的部件，鏡頭與CCD攝像機配合，可以將遠距離目標成像在攝像機的CCD靶面上。
鏡頭的種類繁多，從焦距上分類，可分為短焦距、中焦距、和焦距和變焦距鏡頭；從視場的大小分類，可分為廣角、標準、遠攝鏡頭；從結構上分類，還可分為固定光圈定焦鏡頭、手動光圈定焦鏡頭、自動光圈定焦鏡頭、手動變焦鏡頭、自動光圈電動變焦鏡頭、電動三可變鏡頭（指光圈、焦距、聚焦這三者均可變）等類型。由于鏡頭選擇得合適與否，直接關系到攝像質量的優劣，因此，在實際應用中必須合理選擇鏡頭。
1、鏡頭的參數
鏡頭的光學特性包括成像尺寸、焦距、相對孔徑和視場角等幾個參數，一般在鏡頭所附的說明書中都有注明，以下分別介紹。
A、成像尺寸
鏡頭一般可分為25.4mm（lin）、16.9mm（2/3in）、12.7mm（1/2in）、8.47mm（1/3in）和6.35mm（1/4in）等幾種規格，它們分別對應著不同的成像尺寸，選用鏡頭時，應使鏡頭的成像尺寸與攝像機的靶面尺寸大小相吻合。表2-1列出了幾種常見CCD芯片的靶面尺寸，表中單位為mm。
標稱芯片尺寸
CCD感光靶面尺寸25.416.912.78.476.35
對角線1611864.5
垂直9.66.64.83.62.7
水平12.78.86.44.83.6
表2-1幾種常見CCD芯片的靶面尺寸
由表2-1可知，12.7mm（1/2in）的鏡頭應配12.7mm（1/2in）靶面的攝像機，當鏡頭的成像尺寸比攝像機靶面的尺寸大時，不會影響成像，但實際成像的視場角要比該鏡頭的標稱視場角小（參見圖2-2），而當鏡頭的成像尺寸比攝像機靶面的尺寸小時，就會影響成像，表現為成像的畫面四周被鏡筒遮擋，在畫面的4個角上出現黑角。
B、焦距
在實際應用中，經常會有用戶提出該攝像機能看清多么遠的物體或該攝像機能看清多么寬的場景等問題，這實際上由所選用的鏡頭的焦距來決定，因為焦距決定了攝取圖像的大小，用不同焦距的鏡頭對同一位置的某物體攝像時，配長焦距鏡頭的攝像機所攝取的景物尺寸就大，反之，配短焦距鏡頭的攝像機所攝取的景物尺寸就小。當然，被攝物體成像的清晰度還與所選用的CCD攝像機的分辨率及監視器的分辨率有關。
理論上，任何一種鏡頭均可拍攝很遠的物體，并在CCD靶面上成一很小的像，但受CCD單元（像素）物理尺寸的限制，當成像小到小于CCD傳感器的一個像素大小時，便不再能形成被攝物體的像，即使成像有幾個像素大小，該像也難以辨識為何物。
當已知被攝物體的大小及該物體到鏡頭距離，則可根據下兩式估算所選取配鏡頭的焦距：
f=hD/H
f=vD/V
式中，D為鏡頭中心到被攝物體的距離；H和V分別為被攝物體的水平尺寸和垂直尺寸；v為靶面成像的高度；h為靶面成像的水平寬度。
成像場景的大小與成像物體的顯示尺寸是互相矛盾的，舉個例子來說，用同一支攝像機對同一個停車場進行監視，選用短焦距鏡頭可以對整個停車場的全景進行監視并看到出入口外的車輛進出，但卻不能看清該輛車的牌照號碼（該車在監視器屏幕上僅占據了很小的面積）；而選用長焦距鏡頭雖可以看清該輛車的牌照號碼（該車占據了屏幕上的大部分面積），卻又不能監視到整個停車場的全貌。因此當需要既監視全景以要看清局部時，一般應考慮配用電動兩可變或電動三可變鏡頭。當然，在選定了鏡頭的前提下，選用高分辨率的攝像機及監視器則可以在被監視物體成像尺寸較小時也能看清局部細節。
C、相對孔徑
為了控制通過鏡頭的光通量大小，在鏡頭的后部均設置了光闌（俗稱光圈）。假定光闌的有效孔徑為d，由于光線折射的關系，鏡頭實際的有效孔徑為D，D與焦距f之比定義為相對孔徑A，即
A=D/f
鏡頭的相對孔徑決定于被攝像的照度，像的照度E與鏡頭的相對孔徑平方成正比，一般習慣上用相對孔徑的倒數來表示鏡頭光闌的大小，即
F=f/D
式中，F一般稱為光欄F數，標注在鏡頭光欄調整圈上，其標值為1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等序列值，每兩個相鄰數值中，后一個數值是前一個數值的倍。由于像面照度與光欄的平方成正比，所以光欄每變化一檔，像面亮度就變化一倍。F值越小，光欄越大，到達攝像機靶面的光通量就越大。
D、視場角
鏡頭有一個確定的視野，鏡頭對這個視野的高度和寬度的張角稱為視場角。視場角與鏡頭的焦距f及攝像機靶面尺寸（水平尺寸h及垂直尺寸v）的大小有關，鏡頭的水平視場角ah及垂直視場角av可分別由下式來計算，即
ah=2arctg（h/2f）
av=2arctg（v/2f）
由以上兩式可知，鏡頭的焦距f越短，其視場角越大，或者，攝像機靶面尺寸h或v越大，其視場角也越大。如果所選擇的鏡頭的視場角太小，可能會因出現監視死角而漏監；而若所選擇的鏡頭的視場角太大，又可能造成被監視的主體畫面尺寸太小，難以辨認，且畫面邊緣出現畸變。因此，只有根據具體的應用環境選擇視場角合適的鏡頭，才能保證既不出現監視死角，又能使被監視的主體畫面盡可能大而清晰。
表2-2列出了幾種常用鏡頭的水平視場角，表中的參數是以日本精工系列鏡頭為參考給出的。
焦距/mm
鏡頭尺寸/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
