摄像镜头的光学基础知识概述

如果把镜头比作人的身体器官的话，那就相当于人眼的眼球，眼球实质上是一组生物透镜，用以汇聚进入眼睛的光线。摄像机镜头将进入摄像机内的光线成像在CCD靶面上，生成清晰的图像输出。

镜头是视频监控系统的关键设备，它的质量优劣直接影响到摄像机的整机指标，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。

（一）镜头光学成像原理

光学成像原理是指通过光学镜头把现实空间（物空间）的物体成像在图像传感器件的感光靶面（像空间）上。通过合理的设计，包括合理选择镜头的各项参数并考虑物体的照明条件、聚光方式、光学系统的传输损失、像面照度的计算方法等，使该像的位置、尺寸、清晰度以及物像光强度等符合实际应用场合的技术条件。

摄像机与镜头组合当图像变得不清晰时，可调整摄像机的后焦点，改变CCD靶面与镜头基准面的距离（相当于调整人眼晶状体的位置），可将模糊的图像变得清晰。这种调节是在摄像机出厂时由技术人员进行调整的，一般不在用户层级调校。

镜头的结构示意图如图2-20所示。

图2-20 镜头的结构示意图

（二）镜头光学系统的评价参数

镜头光学系统限制光束的要素主要有分辨率、光阑、渐晕、焦深和景深等。

（1）分辨率又称鉴别率、解像力，指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力，制约镜头分辨的原因是光的衍射现象，即衍射光斑。分辨率的单位为“线对/毫米”（lp/mm）。镜头分辨率是指在像平面处1mm内能分辨出的黑白相间的线条对数。

（2）光阑：光阑主要是指镜头中设置用于限制光束大小的带通光孔的金属薄片，通光孔一般呈圆形，光阑的中心在镜头的中心轴上。在像平面上要有一定的光能，通过改变光圈的大小及曝光时间的长短来满足需要，同时还要有一定的反映物面细节的能力，即镜头的分辨率（跟光束孔径成正比）。因此如何控制摄影镜头在成像范围内各点光束的大小是非常重要的。

光阑按其用途有如下分类：

有效光阑：镜头实质上是一复杂的透镜组，其中每一个透镜的边框都对轴上或轴外点光束的大小起不同程度的限制作用，故它们都是光阑。其中起决定性限制作用的叫有效光阑，又叫做孔径光圈，即光圈。一般有效光阑都设在镜头的透镜组中间，它通过前面透镜组在物空间形成的像叫入射光瞳，故孔径光阑与入射光瞳对其前边光组而言是共轭的；有效光阑对其后边的透镜组的共轭叫做出射光瞳，入射光瞳与出射光瞳对整个镜头是共轭的。

视场光阑：指控制成像范围大小的通光孔径。

消杂光光阑：指限制杂光的通光孔径。

光阑能改善摄像机镜头的成像质量，因为光阑能限制成像光束孔径和成像范围，对不能成清晰像、准确像的那些光线和像不清晰的空间部分都要舍弃，对有害而无用的光也加以阻拦，故能改善像质量。

光阑也能控制摄像机镜头的光功率、聚光本领和景深等。此外，光阑还可以拦截摄像机镜头系统中的杂散光等。

（3）渐晕。光轴上物点发出的通过孔径光阑成像的光束比轴外物点的成像光束大，使得成像面从中心向边缘的光照度逐渐降低，图像逐渐变暗，这种渐暗的现象称之为轴外点的渐晕。这是因为对于轴外物点的光束，镜头孔径减小（光束不与光阑面垂直），逐渐降低镜头成像的质量。

（4）景深。景深是指拍摄主体区域范围内能被清晰成像的空间深度。对于透镜系统而言，虽然与镜头距离不等的几个物体的像会在几个不同的成像平面上，但镜头成像只能成在CCD成像器件靶面上，因此当摄像机摄取层次较多的场面时，距离摄像机镜头远近不等的物体，在摄像机成像器件靶面上就以不同图像清晰度表现出来。

在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影像开始变得模糊，形成一个弥散圆。当弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力时，人眼就不能辨认实际影像。在被摄主体（对焦点）前后，其影像仍然有一段清晰范围，即被摄体的前后纵深就叫景深，图2-21所示为景深与焦深的示意图。

图2-21 景深与焦深的示意图

图2-22 固定焦距与摄像距离变化时光圈与景深的关系

景深由前景深与后景深两部分组成，从焦点到近处容许弥散圆的距离叫前景深，从焦点到远方容许弥散圆的距离叫后景深。

景深受镜头的焦距、光圈值和拍摄距离等因素影响。当焦距和拍摄距离固定时，使用光圈越小，景深越大，光圈越大，景深越小，如图2-22和图2-23所示。当光圈值与拍摄距离不变时，焦距越长，景深越小，焦距越短，景深越大。当焦距与光圈值不变时，距离越远，景深越大，距离越近，景深越小。

景深大时，从靠近镜头的观察目标到无穷远目标在所观察的整体区域中有更多区域能清晰成像，景深小时则只有较少部分区域可以清晰成像。对于自动光圈镜头，光圈的不断调整也意味着景深大小的相应变化，夜间自动光圈会全部打开，此时的景深范围达到它的最小值，此时白天清晰观察到的目标会变得模糊不清。

（三）镜头的光学特性参数

镜头的光学特性参数主要包括成像尺寸、焦距、相对孔径、视场角和接口等。

1.成像尺寸

镜头的成像尺寸原则上要求与摄像机的靶面尺寸大小相吻合。镜头一般可分为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相吻合。表2-3列出了几种常见CCD芯片的靶面尺寸。

图2-23 光圈值变化时景深的变化实物效果图

表2-3 几种常见CCD芯片的靶面尺寸（单位：mm）

如果镜头的成像尺寸与摄像机的靶面尺寸大小不相吻合，就会出现如图2-24所示的情况。

（1）镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸大，即L₂>L₁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。

（2）镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸小，即L₂<L₁就会影响成像，表现为成像的画面四周被镜筒遮挡，在画面的四个角上出现黑角，即一部分景物的光束被镜头所遮挡，成像器件的成像面没有被充分利用，实际成像尺寸被缩小。如图2-25所示为实际拍摄效果图。

图2-24 镜头成像面与CCD靶面的关系

2.焦距

焦距是指光组主点到焦点的距离，而镜头的焦距实际上是构成镜头的组合光组的焦距。镜头的焦距是以mm为计量单位的。它与镜头所获得的观察视角互为因果，小焦距镜头具有大的观察视角，长焦距镜头具有望远效果并具有窄小的观察视角。日本CBC株式会社的Computar计算尺是一个估算焦距、观察物体外形尺寸以及视角的便利工具，同时VM300取景器也是一款用于选择焦距的光学设备。

虽然理论上任何一种镜头均可拍摄很远处的物体，并在摄像机的成像靶面上成一很小的像，但实际上受成像单元（像素）物理尺寸的限制，当成像小到小于图像传感器的一个像素大小时，便不再能形成被摄物体的像或难以辨识为何物。

成像场景的大小与成像物体的显示尺寸是互相矛盾的。如用同一支摄像机对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也要看清局部时，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提升局部细节像的清晰程度。

当已知被摄物体的大小及该物体到镜头的距离时，如图2-26所示，则可根据以下两式估算所选配镜头的焦距：

f=hD/Hf=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。

图2-25 实际拍摄效果图

图2-26 镜头、被摄物及影像的关系示意图

例如，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2-3查得其对应的靶面垂直尺寸为4.8mm，则镜头的选配应根据下式来求得：

f=vD/V=4.8×3000÷1800=8mm

于是，该现场摄像机的镜头应选配焦距为8mm的镜头。

3.相对孔径

摄像机是通过在镜头的后部设置光圈的方法来控制通过镜头的光通量的大小的。光圈由位于镜头内部的多片可活动的金属叶片组成，中间形成的圆孔可变大或缩小来控制通过的光通量的大小。当镜头实际的有效孔径为D时，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与镜头的相对孔径的二次方成正比（E∝A²），一般习惯上用相对孔径的倒数来表示镜头光圈的大小，即F=f/D。

相对孔径习惯称为光圈数，标注在镜头光圈调整圈上，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2倍。当镜头完全打开时为最大光圈（即最小光圈数值），当有效口径最小时的数值为最小光圈（即最大光圈数值）。光圈数值越小，则该镜头在黑暗的环境下通过更多的光线，摄像机能呈现更好的图像。在高亮度或反射的环境下，具有高光圈数值的镜头将会避免摄像机成像“白化”。所有自动光圈均配有中性不透明滤光片以增大光圈值。在镜头上，有光圈调节环，用来控制实际拍摄的光圈。

光圈主要有三个方面的作用：

（1）控制进光量：光圈可控制镜头的进光量的多少，在暗弱的光线下拍摄，需要使用大光圈镜头，以获得更多的光量，在明亮的场合，则使用小光圈不致曝光。

（2）控制景深：可结合拍摄距离来控制拍摄画面的景深，参见前面景深的相关知识。

（3）控制图像质量：摄像镜头在全开光圈时通常像质不是最佳的，当收缩光圈后像质会有明显的改善。

4.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。视场角是根据现场勘查的实际情况来确定的，其目的之一是避免在镜头监视时出现死角，二是确定合理的镜头配置，以控制成本。

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，镜头视场角示意图如图2-27所示。如果景物从A移动A^′的位置，那么张角就超过了α角，物像就不能全部落在成像面上。

图2-27 镜头视场角示意图

镜头的水平视场角a_h及垂直视场角a_v可分别由下式来计算，即a_h=2arctan（h/2f）；a_v=2arctan（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，如图2-28所示。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2-4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。

图2-29所示为不同焦距镜头所对应的视场角示意图（设所用镜头均配接1/2in靶面CCD摄像机）。

图2-28 镜头的焦距与视场角及成像大小的关系

表2-4 几种常用镜头的水平视场角

(www.xing528.com)

图2-29 不同焦距镜头所对应视场角示意图

镜头光学特性如图2-30所示。

5.接口

摄像镜头要固定在摄像机的标准装座上，以保证镜头的光轴与CCD芯片感光面中心垂直，并保持着一定的距离，即使镜头的像面与CCD的靶面重合。可通过对镜头聚焦的微调或CCD芯片的微调来补偿镜头和摄像机加工的误差，获得最清晰的图像。这种配合是靠镜头安装的接口来调整的。

图2-30 镜头光学特性

镜头的安装接口常见的有C型安装接口、CS型安装接口和S型安装接口三种。三种安装接口的比较见表2-5。

表2-5 三种安装接口的比较

镜头与摄像机衔接时，两者的接口结构如图2-31所示。

图2-32所示是CS型镜头接口与C型镜头接口的结构示意图。

在视频监控系统中常用的镜头是C型安装镜头（1in32牙螺纹座），这是一种国际公认的标准。这种镜头安装部位的口径是25.4mm（1in），从镜头安装基准面到焦点（即成像面处）的距离（即空气光程）Z=17.526mm。大多数摄像机的镜头接口则做成CS型，因此将C型镜头安装到CS接口的摄像机时需增配一个5mm厚的接圈，如果不加接圈就直接接到CS接口摄像机上，则可能使镜头的后镜面碰到CCD靶面的保护玻璃，造成CCD摄像机损坏。不能将CS型镜头接到C型安装接口的摄像机，因为其空气光程不够，CS型镜头的成像面与摄像机的CCD靶面没有重合，无法形成清晰的图像。图2-33所示为C型与CS型的匹配关系示意图。

图2-31 镜头接口与摄像机接口的结构示意图

图2-32 CS型镜头接口与C型镜头接口的结构示意图

在实际应用中，如果误将CS型镜头加装接圈后安装到C接口摄像机上，会因为镜头的成像面不能落到摄像机的CCD靶面上而不能得到清晰的图像，而如果对C型镜头不加接圈就直接接到CS接口摄像机上，则可能使镜头的后镜面碰到CCD靶面的保护玻璃，造成CCD摄像机损坏。

图2-33 C型与CS型的匹配关系示意图

（四）镜头的角度数与焦距、监视距离的关系，见表2-6

表2-6 镜头的角度数与焦距、监视距离的关系

（五）镜头参数工程常用计算工具

1.监控镜头焦距及视场测算程序

我们这里介绍一款监控镜头焦距及视场测算小程序，监控镜头焦距及视场测算程序如图2-34、图2-35所示。另外一款软件也大同小异，如图2-37所示，其使用方法与要求参见后面的相关案例。

（1）软件使用说明如下：

第一步：根据需求在测算方式图框中选择“求焦距”还是“求视场”。

第二步：在测算参数图框中输入需要测算的实际数值。在输入数值时，请注意后面的计算单位。

第三步：在镜头规格（CCD尺寸）图框中选择镜头规格。如选“1/4in”CCD，则自动显示CCD宽与CCD高的值。

第四步：点击“测算”按钮。

第五步：测算结果图框中会显示相应的焦距/按宽、焦距/按高或物宽、物高等值。

（2）镜头焦距计算结果的说明：镜头焦距的计算结果中，将会生成焦距/按宽、焦距/按高两个结果。焦距/按宽是根据CCD尺寸的垂直高度（h）和输入的物高（H）为参数计算所得；焦距/按高是根据CCD尺寸的水平宽度（w）和输入的物宽（W）为参数计算所得。一般我们在选取计算结果时，采用焦距/按宽和焦距/按高中值较小的。因为焦距取值越大，视场显示越小，这样取值，可以看到全部物体。

2.镜头参数计算工具

图2-36所示为腾龙（Tamron）公司使用的一款镜头参数计算工具。

3.监控镜头、机位选择计算

用Office Excel制作一张表格，见表2-7。该表是以1/3in的CCD为例，也可换成其他的尺寸（即A10的值），方法相同。

图2-34 监控镜头焦距及视场测算程序（一）

图2-35 监控镜头焦距及视场测算程序（二）

图2-36 镜头参数计算工具

表2-7 监控镜头、机位关系计算表

其中D8为“=IF（$A$10=$A$5，（$A$6*$F10）/$B10，（IF（$A$10=$B$5，（$B$6*$F10）/$B10，IF（$A$10=$C$5，（$C$6*$F10）/$B10，IF（$A$10=$D$5，（$D$6*$F10）/$B10）））））”。

E8为“=IF（$A$10=$E$5，（$E$6*$F10）/$B10，（IF（$A$10=$F$5，（$F$6*$F10）/$B10，IF（$A$10=$G$5，（$G$6*$F10）/$B10，IF（$A$10=$H$5，（$H$6*$F10）/$B10）））））”。

K8为“=IF（$A$10=$A$5，（$J10*$A$6）/$H10，（IF（$A$10=$B$5，（$B$6*$J10）/$H10，IF（$A$10=$C$5，（$C$6*$J10）/$H10，IF（$A$10=$D$5，（$D$6*$J10）/$H10）））））”。

D列、E列与K列中其他待求项只要采用复制格式的方式就可以。

知道使用的摄像机的参数，应在“知道镜头算机位”的CCD列填入CCD尺寸，在目标-镜头距离下填入估算距离，就可以看到可以被监控的目标的宽度和高度了。如已知使用1/3in的CCD，被摄物体与摄像机的距离约为7m，则可摄宽约4.2m，高约3.15m的物体。

如果是知道目标的宽度值（高度可换算，宽度=高度×4/3），在“知道目标找镜头”中的目标宽度中填入监控目标的宽度，选好CCD尺寸（即A10单元值），估算一下距离，焦距就可算出了。

（六）摄像机镜头的选配案例

案例1：某小型超市，用摄像机来监视收银员的规范操作，选用1/3in的摄像机。摄像机安装在收银柜台左前方约2m高的地方，监控收银员2m宽的柜台情况，请为其选用一合适焦距的镜头。

分析：依据前面焦距的相关计算公式，题目已知v=4.8mm，D=2m，W=2m，求出相应的焦距即可。

依f=vD/V，代入相应的值则f=4.8×2000/2000=4.8mm，故选用4.8mm镜头即可。

案例2：某高速路口，用摄像机来拍摄经过的车辆牌照，选用1/3in的摄像机，要求图像的分辨率达到D1格式，摄像机距车辆停靠的距离为10m，请设计选用一合适焦距范围的摄像机镜头。

分析：车辆牌照的尺寸为45cm×15cm，如果要清晰显示车辆牌照，车牌在画面中所占像素大小必须大于120×30。根据客户的要求既要能全画面显示车牌，又要能只显示120×30像素大小的车牌。D1格式分辨率为704×576pix。

最大焦距即全画面显示车牌时：此时物宽W=45cm，物高H=15cm。依“监控镜头焦距及视场测算”软件求得焦距/宽=106.667mm，焦距/高=240mm，如图2-37所示。要同时看清车牌，则焦距最大为106mm。

图2-37 测算最大焦距设置界面图

最小焦距即画面中只有120×30pix显示车牌，依D1格式的分辨率为704×576pix测算出物宽W=704÷120×45cm=270cm，物高H=576÷30×15cm=285cm。依“监控镜头焦距及视场测算”软件求得：焦距/宽=17.778mm（表示按物宽计算），焦距/高=12.632mm（表示按物高计算），要同时看清车牌，则焦距最大为18mm。

故选镜头的最适合焦距范围为18～106mm。

注：监控镜头焦距及视场测算软件为深圳市中联盾实业有限公司开发的绿色软件，是专门用于测算镜头焦距与视场角的软件。

案例3：某路口交警部门设置一视频监控欲规范红绿灯时过往车辆的通行情况，监控的范围为停车线至红绿灯杆。设定车辆的高度为1.6m，宽度为2m。请设计选用一合适焦距的摄像机镜头。

分析：现场堪查后做出的路口监控的平面设计图如图2-38所示。摄像机通过横杆处于路中央上方6m处，一般正对着车尾处。设车身长为4m，则根据图2-38所示得到垂直视场角为（arctan（6/（24-4））×180°）/π=17°。若摄像机选1/3in的镜头，依“监控镜头焦距及视场测算”软件求得：焦距/宽=48mm，焦距/高=12mm，故可知其焦距为12mm。同时在20m远处，当焦距为12mm时，其监视的马路宽度为8m，车辆的高度可达6m，如图2-39所示。

图2-38 现场堪查后做出的路口监控的平面设计图

图2-39 马路口交警监控范围示意图

案例4：上例中如果要求监控画面的质量达到D1画质格式，镜头CCD靶面为1/3in时，当镜头焦距为4～9mm时，只需车牌成像在CCD靶面的像素大小为120×30，问车牌在什么位置时能被看清？

分析：车辆牌照的尺寸为45cm×15cm，D1的画质分辨率为704×576pix，则最远距离的车牌成像尺寸为：物宽=（704÷120）×45cm=270cm，物高=（576÷30）×15cm=285cm。

当f=9mm时，按宽算，D=（f/h）×H=（9/4.8）×2.7m=5m；按高算，D=（f/v）×V=（9/3.6）×2.85=7m，要能在长与宽上同时看清车辆，选择D=5m即可。

当f=4mm时，按宽算，D=（f/h）×H=（4/4.8）×2.7m=2.25m；按高算，D=（f/v）×V=（4/3.6）×2.85=3m，要能在长与宽上同时看清车辆，选择D=2.25m即可。

综合考虑，能看清楚的范围在5m之内。