鏡頭講義
一． 光學成像原理
所謂光學成像就是指通過光學鏡頭把現實空間（物空間）的物體成像在圖像傳感器件的感光靶面（像空間）上。
如何得到清晰的物像？
合理設計：包括選擇鏡頭的各項參數並考慮物體的照明條件，聚光方式，光學系統的傳輸損失，像面照度的計算方法等，使像位置、尺寸、清晰度以及物像光強受符合實際應用的技術條件。
1．1 光組、理想光組
由許多光學零件完成物體光學成像的組合稱為光學系統或光組，若光組能在任意大的空間內用任意寬的光束成一完整的像則稱該光組為理想光組。
1．2 理想光組的基本性質
（1） 點成點像 對於物空間的任何一點在像空間必有一個點與之對應而且隻有一個點與之對應，稱這兩個點為共軛點。
（2） 線成線像 對於物空間的任何一條直線在像空間必有一條直線與之對應，而且隻有一條直線與之對應，稱這兩條直線為共軛線。
（3） 對稱軸共軛 物空間和像空間存在著唯一的共軛對稱軸。
1．3 理想光學系統的基本點面
1） 焦點和焦面
理想光組的焦點有兩個，其中於光軸上的無窮遠物點共軛的像點稱為像方焦點，記為F’，與光軸上無窮遠像點共軛的物點稱為物方焦點，記為F。
2） 主點和主面
橫向放大率（像高與物高之比）為1的一對共軛面
像方與光軸焦點為像方主點，物方與光軸焦點為物方主點
3） 焦距
主點到焦點的距離為焦距
物方主點到物方焦點的距離為物方焦距，記為f。
像方主點到像方焦點的距離為像方焦距，記為f’。
1．4 光學系統中光束的限制。
1） 光闌
在光學系統中限制成像空間與光束孔徑
作用：a)改善系統成像質量
b)決定通過系統的光能
c)攔截系統中有害的雜散光等
用途分：a)有效光闌 b)視場光闌 c)消雜光光闌
2) 漸暈
在光學系統中，除瞭入射光瞳外，還會有其他光角的物方的像，如射入窗和其他透鏡框在物空間的像等，會使軸外光束孔徑減少，這種現象叫漸暈。
3）焦深
實際光學系統矯正像差後，除在理想成像面上可獲得清晰的像外，常把理想波面的參考點沿軸向離焦，使波差不超過λ/2（由－λ/4到λ/4）時，也能得到清晰的像，對立的離焦量焦焦深。
4）景深
光學系統應能使距鏡頭不同距離遠的各空間的物體能同時在像平面成清晰的像，景深即最近點成清晰像與最遠點成清晰像之間的距離。
二、攝像物鏡體統
一般攝像物鏡的光學特性主要由三個參數決定：
即焦距f，相對孔徑D/f，和視場角2W
根據體統使用需要可選用定焦攝像物鏡或變焦攝像物鏡。
定焦物鏡指的是：具有固定焦距f的物鏡，其相對孔徑D/f和視場角2W都是固定不變的，一般都有一個光強控制系統。
對同一個設想系統，有時需要由一個長焦距物鏡以分辨遠距離的小目標；有時則需要攝像物鏡為短焦距，以便在一個較大的視場內攝取一個較大空間的像，能滿足上述要求的物鏡系統即變焦距物鏡系統。
變焦距物鏡系統在變焦距過程中光學系統的相對孔徑是不變的，變焦距范圍的兩個極限焦距，即長焦距和短焦距之比稱為變倍比。
變焦距物鏡系統同樣也是一個變焦攝像物鏡和一個光強控制系統。
變焦距物鏡的性能是：高變倍比，遠攝距（長焦距小視場），近焦距（短焦距大視場），自動調焦，電動變焦；其結構要求是體積小，重量輕；其成像質量要求則是力求達到在各種焦距時均滿足圖像質量及像面固定不動，變焦過程中像面始終在CCD傳感器的靶面上。（光學補償，機械補償）
三、鏡頭的參數
鏡頭的光學特性主要包括成像尺寸、焦距、相對孔徑和視場角等幾個參數，以下分別介紹：
1． 成像尺寸
鏡頭一般可分為25.4mm（1 in）、16.9mm（2/3 in）、12.7mm（1/2 in）、8.47mm（1/3 in）和6.35mm（1/4 in）等幾種規格。
標稱芯片尺寸
CCD感光 25.4 16.9 12.7 8.47 6.35
靶面尺寸
對角線 16 11 8 6 4.5
垂直 9.6 6.6 4.8 3.6 2.7
水平 12.7 8.8 6.4 4.8 3.6
它們分別對應不同的成像尺寸，選鏡頭時，應使鏡頭的成像尺寸與攝像機的靶面尺寸大小相吻合，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；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。（表現為成像畫面四周被鏡筒遮擋）
2．焦距
（實際應用中，常有用戶提出攝像機能看清多麼遠的物體或多麼寬的場景等問題，這要由所選用鏡頭的焦距來決定，還與所用攝像機的分辨率及監視器的分辨率有關）
長焦距鏡頭攝取景物尺寸大，短焦距鏡頭攝取景物尺寸小，已知被攝物體的大小及物體到鏡頭的焦距，叫f=h D/H或f=v D/V
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。
例：已知被攝物體距鏡頭中心距離3m，高度為1.8m，所用攝像機CCD靶面為1/2 in。（靶面垂直尺寸為4.8mm）查得f=v D/V=4.8×3000÷1800＝8.02mm，應配8mm的鏡頭。
3． 相對孔徑
（為瞭控制通過鏡頭的光通量大小，在鏡頭後部均設置瞭光闌，俗稱光圈）相對孔徑A為有效孔徑D與焦距f之比（A=D/f）
鏡頭的相對孔徑決定被攝像的照度，即像的照度E與鏡頭的相對孔徑A的平方或正比。
一般習慣用相對孔徑的倒數來表示鏡頭光闌的大小。
即： F=f/D
F一般稱為光闌F數，標註在鏡頭光闌調整圈上，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，後一數值的21/2倍。
由於像面照度與相對孔徑的平方成正比（與光闌的平方成反比）所以光闌每變化一檔，像面亮度就變化一倍。
光闌F值越小則相對孔徑越大，到達攝像機靶面的光通量就越大。常見鏡頭所標的F值均指該鏡頭的最小光闌數。
騰龍公司的相對孔徑參數為F/A，A為上面所說的光闌F數。
4． 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，ah=2arctg（h/2f）
av=2actg（v/2f）
鏡頭的焦距f越短，其視場角越大，或攝像機靶面尺寸h或v越大，其視場角也越大。
如所選鏡頭的視場角太小，可能會因出現監視死角而漏監，所選鏡頭的視頻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。（應選擇合適的視角場）
“看多遠”問題
解釋用戶攝出的攝像機能夠“看多遠”之類問題，即100m，500m甚至1Km遠外的物體還能否在監視器上清晰地顯示出來。
用某定焦鏡頭可以看清100m遠的汽車或1Km遠的輪船，但卻看不清10m遠的鈔票面值，這因為觀看的對象不同
一般來說，鏡頭焦距越長看得就越遠，同時視場角卻變小，觀看得范圍變窄
“看多遠”較為科學得說法是： 在屏幕上成的碼大小可對應於實際觀測距離處多高或多寬的景物。
由於鏡頭的成像尺寸，焦距，視頻角等參數具有一一對應的關系，一些專業鏡頭生產廠商還專門制作瞭鏡頭選擇計算尺。
該計算尺由上下兩個圓盤及一個透明的扇形片組成，圓盤及扇形片上有刻度，分別標有視頻角，被攝物體的水平及垂直尺寸，鏡頭的焦距，CCD芯片靶面尺寸及被攝物體距CCD攝像機的距離等參數。 根據某個事先確定的已知量就可以計算出其他量
如 1/3 tn CCD 配 8mm鏡頭 在3m攝距時 視頻角，水平多寬的物體被攝入攝像機
1/3 tn 對準8mm 得 H約 33 V 為 25
轉下圓盤對準3m物距 者寬為16m
即 寬為1.6m 的物體被攝入監視器
CCD靶面尺寸，物距，被攝物大小 ―――> 鏡頭焦距f
選鏡頭： （1）首先確定鏡頭的類型;手動光圈還是自動光圈
（2）決定被觀測物體的優先考慮因素，即是以垂直高度V作為選擇依據，還是以水平寬度H作為選擇依據
（3）選擇鏡頭的尺寸（註意與選用CCD或CMOS攝像機的靶面尺寸相符）
（4）觀測距離和被監視物體的尺寸可由此確定焦距F
5．接口
鏡頭的安裝方式有C型安裝和CS型安裝兩種
兩種接口示圖，上半部為CS型鏡頭，下半部為C型鏡頭，電視監控系統用鏡頭C型安裝鏡頭（1m32牙螺反座）國際公認標準。 安裝部位口徑為25.4mm(1 in)從鏡頭安裝基準面到焦點距離是17.526mm。
鏡頭C型安裝到CS接口的攝像機需增配一個5mm厚的接圈。
自動光圈簡介：
當進入鏡頭的光圈的光通量變化時，攝像機CCD靶面上產生的電荷也相應發生變化，使得視頻信號電平或其整流濾波後的平均電平發生變化，產生一個控制信號，並通過自動光圈接口座上的3或4芯線傳送給自動光圈鏡頭不，至使鏡頭內的微型電動機相應做正向或反向轉動，從而調整光圈的大小。自動光圈鏡頭分含放大器與不含放大器兩種規格。
在自動光圈鏡頭上一般還有兩個以防塵塞蓋住的內藏內調節旋鈕，其中一個是電平設定旋鈕(一般以LEVEL標註，並在該旋鈕的下方左右兩側分別標註L和H字樣)；另一個是自動電平控制旋鈕(一般以ALC標註，並在該旋鈕的下方左右兩側分別標註P和A 字樣)。
當監視器上畫面的整體高度過亮或過晴，或出現忽明忽暗時，就要調整電平設旋鈕。如畫面過亮，可將該旋鈕按逆時針方向L(Low)，反之則按順時針方向旋向H(High)
如果是忽明忽暗的情況，則還要配合監視器的調整，將旋鈕旋到使監視器上畫面最佳的位置。
當監視器上的畫面出現極高的對比度時，則須慢慢地把ALC可變電阻從平均位置A(Average)旋向峰值位置P(Poak).直至得到滿意的畫面為止。
當把LEVEL順時針方向完全旋轉時，應保證使攝像機輸出，幅度不飽和，否則光圈伺服電路將不能操作，切斷電源，光圈自動關閉。
DC驅動與視頻驅動的區別：
視頻驅動是指攝像機將視頻信號電平輸出到自動光圈鏡頭的內部。再由其內部的驅動電路輸出控制電壓使鏡頭的光圈調整電動機驅動電路。
直流驅動是指攝像機內部增加瞭鏡頭光圈電動機的驅動電路。可以直接輸出直流控制電壓到鏡頭內的光圈電動機並使其轉動。
1． 固定光圈定焦鏡頭
固定光圈定焦鏡頭隻有一個可手動調整的對焦調整環（環上標有若幹距離參考值），左右旋轉該環可成在CCD靶面上的像最為清晰，此時監視器屏幕上得到圖像也最為清晰。
無光圈調整環，隻能改變環境照度來調整光通量
2． 手動光圈定焦鏡頭
比固定光圈定焦鏡頭增加瞭光圈調整環，調整范圍一般可以從F1.2或F1.4到全關閉。能方便適應被攝現場的光照度，這種鏡頭一般應用於光照度比較均勻的場合。
3． 自動光圈定焦鏡頭
自動光圈定焦鏡頭相當於在手動光圈定焦鏡頭的光圈調整環上增加一個由齒輪嚙合傳動的微型電動機，並從其驅動電路上引出瞭4芯的屏蔽線，接到攝像機的自動光圈接口座上。
4、 手動變焦鏡頭
手動變焦鏡頭的焦距是可變的，它有一個焦距調整環，可以在一定 范圍內調整鏡頭的焦距，其變比一般為2-3倍，焦距一般在3.6-8mm
在實際工程應用中，通過手動調節鏡頭的變焦環，可以方便地選擇被監視現場的視場角。
手動變焦鏡頭中也有帶自動光圈的鏡頭，也有直流驅動和視頻驅動兩類
5、 自動光圈電動變焦鏡頭
比自動光圈定焦鏡頭增加瞭兩個微型電動機，其中一個電動機與鏡頭的變焦環嚙合，當其受控而轉動時可改變鏡頭的焦距(Zoom)；另一個電動機與鏡頭的對焦環嚙合，當其受控而轉動時可完成鏡頭的對焦(Focus)
6、 電動三可變鏡頭
與電動兩可變鏡頭結構相差不多，隻是將對光圈調整電動機的控制由自動控制方式改為由控制器來手動控制，因此它也包含瞭三個微型電動機引出一組6芯控制線與鏡頭控制器相連
常見的有6倍、10倍和12倍等幾種規格。
變焦鏡頭的“倍率”是變焦鏡頭的最長焦距與最短焦距之比，是一個相對值
非球面鏡頭
非球面鏡頭(Aspherial lens)是近年開始廣泛使用的新型鏡頭其特點是鏡頭所用的鏡片為球面鏡片，鏡片表面形狀可能是二次、三次，其中三次曲面也被稱為自由曲面。
傳統球面鏡頭采用的是球面鏡片，一般會出現像差(色差、球差、彗差、畸度及像孝)等件多問題。實際鏡頭需要多片不同性能的鏡片分組組合來校正，簡單的定焦鏡頭可能隻需要4片3組、6片4組或7片4組，而高檔變焦鏡頭則高達十幾組鏡片組合，使鏡頭體積重量加大，透光系數也變差，F值小的高感度鏡頭的有效通光口徑越大，球面像差越大，很難較正。
非球面鏡頭泊鏡片形狀是通過精確計算並由精密機器研磨而成，在設計過程中充分考慮到上述各校正因素，因而一片非球面鏡片就能實現多個球面鏡片校正像差的效果，可減少鏡片的數量並因此減小鏡頭的體積，使得鏡頭的成像精度更佳，色光性更好，色彩還原更加準確。
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