镜头分类及性能特点分析

（一）镜头的分类及形状

镜头分不同类型，即使同一类型的镜头，由于其材质、加工精度和镜片结构不同，成像质量也有很大差异，其镜头价格也从几百元到几万元不等。按不同的分类标准有多种分法，镜头的分类如图2-40所示。

各种类型镜头的功能解读：

短焦距镜头入射角较宽，适用于较宽广的视野拍摄。中焦距镜头是一种标准镜头，焦距的长度由CCD的尺寸决定。长焦距镜头入射角较狭窄，只能提供狭窄的视野，适用于长距离的监控。变焦距镜头一般为电动镜头，可作为广角、标准或远望等用途。

固定焦距镜头又分为有光圈和无光圈两种。前者的光圈大小可调节，可根据环境光照的变化相应调节光圈的大小。手动调节的光圈需手工调节，适用于亮度不变的场所。自动光圈是通过自带的微型电动机自动调整光圈，用于依环境亮度变化时自动调整，适用于阳光直射时实现较宽的动态范围或要求对整个视野有良好聚焦要求达到更大的景深或在亮光上因光信号导致的模糊最小化要求等，分为视频驱动型（含放大器）和DC驱动型（不含放大器）两种，驱动电压一般为6V、9V或12V。视频驱动型镜头将视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，DC驱动型镜头是利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈的调整。变焦距镜头可根据需要调整，使被摄物体的图像变大或缩小，常用的变焦镜头为6倍和10倍变焦。

标准镜头的焦距值等于画幅对角线长度，其视角与人眼的视角相近为45°左右，不会产生透视变形。广角镜头视角为90°以上，焦距小于几毫米，可提供较宽广的视野。远摄镜头视角在20°以内，焦距可达几米至几十米，可远距离拍摄物体，但观察范围会变小。

变倍镜头又叫伸缩镜头，有手动变倍镜头和电动变倍镜头两类。变焦镜头是指焦距可连续变化的镜头，从最小焦距到最大焦距变化时的聚焦需通过手动聚焦，其既可将远距离物体变大，又可提供一个较宽的视野范围。

常见镜头形状如图2-41所示。

图2-40 镜头的分类

（二）常用的摄像镜头

镜头的主要技术特征是光圈、焦距和聚焦，这些特征的调节方式和调节范围及它们之间不同的组合，构成了丰富多彩的镜头类型，适应不同的场合。

图2-41 常见镜头形状

1.固定光圈定焦镜头

固定光圈定焦镜头有一个可手动调整的对焦调整环（环上标有若干距离参考值），左右旋转该环调节CCD靶面成像清晰度。

由于在镜头上没有光圈调整环，进入镜头的光通量是不能通过简单地改变镜头因素而改变的，只能通过改变被摄现场的光照度来调整，如增减被摄现场的照明灯光等。这种镜头一般应用于光照度比较均匀的场合，如室内全天以灯光照明为主的场合，在其他场合则需与带有自动电子快门功能的CCD摄像机合用，通过电子快门的调整来模拟光通量的改变。

2.手动光圈定焦镜头

手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环，其光圈调整范围一般可从F1.2或F1.4到全关闭，能很方便地适应被摄现场的光照度。光圈的调整通过手动操作，摄像机安装完毕位置固定下来后，不利于频繁地调整光圈，适用于光照度比较均匀的场合，在其他场合则需与带有自动电子快门功能的CCD摄像机合用，如早晚与中午、晴天与阴天等光照度变化比较大的场合，通过电子快门的调整适应光通量的改变。

3.自动光圈定焦镜头

自动光圈定焦镜头在结构上相当于在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个由齿轮啮合传动的微型电动机，并从其驱动电路上引出3芯或4芯线传送给自动光圈镜头，使镜头内的微型电动机相应地做正向或反向转动来调整光圈的大小。

4.手动变焦镜头

手动变焦镜头的焦距是可变的，它有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距，其变倍比一般为2～3倍，焦距一般在3.6～8mm。通过手动调节镜头的变焦环改变监视现场的视场角，如可选择对整个房间的监视或是选择对房间内某个局部区域的监视。

同样这种镜头对于工程现场安装是很方便的，因为摄像机安装位置固定下来后，不利于频繁地手动变焦。因为工程完工后，手动变焦镜头的焦距一般很少再去调整，此时就相当于定焦镜头的作用。手动变焦镜头一般用在要求较为严格而用定焦镜头又不易满足要求的场合，可以让工程人员在施工调试过程中通过在一定范围内的焦距调节，找到一个可使用户满意的观测范围（不用反复更换不同焦距的镜头）。

手动变焦镜头中也有带自动光圈的镜头，并且也有直流驱动和视频驱动两类。

5.自动光圈电动变焦镜头

该镜头也称作电动两可变镜头，其在自动光圈定焦镜头基础上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）。电动两可变镜头的光圈是可变的，根据光通量的变化自动调整，其性能及价格都高于电动三可变镜头。

自动光圈电动变焦镜头一般引出两组多芯线，其中一组为自动光圈控制线，其原理和接法与前述的自动光圈定焦镜头的控制线完全相同；另一组为控制镜头变焦及对焦的控制线，一般与云台镜头控制器及解码器相连。当操作远程控制室内云台镜头控制器及解码器的变焦或对焦按钮时，将会在此变焦或对焦的控制线上施加一个或正或负的直流电压，该电压加在相应的微型电动机上，使镜头完成变焦及对焦调整功能。图2-42所示为该镜头控制线的接线图。

当监控点设置在室外时，由于室外光线的动态范围变化较大，夏日阳光照度可达50000～100000lx，但夜间路灯却仅有10lx左右，变化幅度很大。采用带自动光圈的镜头较为合适。

图2-42 自动光圈电动变焦镜头控制线的接线图

6.电动三可变镜头

在电动两可变镜头结构基础上增加了光圈调整电动机，使电动机总数增加为三个，使其由自动控制方式改为手动控制，引出一组6芯控制线与云台镜头控制器及解码器相连。常见的有6倍、10倍和12倍等几种规格。图2-43所示为该镜头控制线的接线图。

图2-43 电动三可变镜头控制线的接线图(www.xing528.com)

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，其中8.5～51mm镜头的远视特性显然比6～36mm镜头的远视特性要好，但它的近视（广角）特性却不如6～36mm镜头好。

7.针孔镜头

针孔镜头的孔径一般仅为1～2mm，主要应用于隐蔽监视的场合。

针孔镜头一般常见的有标准型针孔镜头与微型针孔镜头两种。

标准型针孔镜头具有较细且很长的镜筒，镜筒前端呈锥形并有一个微小的开孔（即针孔），其后端则与普通镜头一样，可以方便地与摄像机配接。图2-44所示为针孔镜头的外形及其应用示意图。

微型针孔镜头尺寸较短，通常与板式超小型CCD摄像机配合，安放在屏风后或天花板上，透过微小的孔隙来监视现场，也可以安放在钟表、电话机、电视机、传声器座或装饰画等物品内，透过微小的孔隙来监视现场。

针孔镜头的相对孔径很小（光阑F数很大），与摄像机配合使用时，透过针孔镜头的光通量也很小，使摄像机的成像质量下降（图像的亮度不够，信噪比变差）。因此，配用针孔镜头的摄像机最好选用高灵敏度的暗光摄像机或微光摄像机，同时，所开孔的厚度应很薄，边缘要非常光滑整齐，不能漏光。最好置于顺光处，尽可能保证监视场所的光照度，还要加以一定的伪装。

图2-44 针孔镜头的外形及其应用示意图

图2-45 小孔镜头的使用方法示意图

1—光圈调节轮 2—直接筒 3—转像筒 4—物镜 5—屏蔽罩 6—安装手轮 7—接口

小孔镜头的使用方法很灵活，可将多个部件组合起来，如图2-45所示。

按直接筒的组合：将光圈调节轮、直接筒、物镜、屏蔽罩组合即可。

按90°转像筒的组合：将光圈调节轮、转像筒、物镜、屏蔽罩组合即可。

8.一体机专用镜头

一体机专用镜头通常都是自动光圈的变焦镜头，其中有很多还具有自动聚焦功能。但是与前述的各种镜头相比，一体机专用镜头实际上属于半成品，因为它没有全封闭的外壳，也没有C或CS接口。一体机镜头通常都是由一体化摄像机生产厂家直接从镜头生产厂家定制或选购，使之与自己生产或组装的CCD或CMOS图像传感器及相应的摄像机电路相匹配，再配以合适的外壳而构成完整的一体化摄像机。

（三）镜头选型原则

1.根据CCD的尺寸选择镜头

镜头尺寸应等于或大于摄像机成像面尺寸，例如1/3in摄像机可选1/3～1in范围内的镜头。

2.镜头的安装接口应与CCD摄像机接口相符

镜头接口与摄像机接口要一致。现在的摄像机和镜头通常为CS型接口，CS型摄像机可以和CS型、C型镜头配接，但和C型镜头接配时，必须在镜头和摄像机之间加一5mm厚的接圈，否则可能碰坏CCD成像面的保护玻璃，造成CCD摄像机损坏。C型摄像机不能和CS型镜头配接。

3.根据镜头的焦距（f）值选择镜头

所选镜头的焦距等于或小于该f值。f值决定镜头的观测距离和范围。

4.根据摄像机的控制方式来选择自动光圈镜头的控制方式

自动光圈镜头的控制方式应与CCD摄像机提供的控制信号一致。在自然光照下使用的CCD摄像机，其外界光照度的动态范围很大。白天、夜晚不同情况下的照度值见表2-8。

表2-8 白天、夜晚不同情况下的照度值

光线的变化情况对光圈选择的影响：

对于光线变化不明显的环境，常选用手动光圈镜头，将光圈手动调到一个比较理想的数值后就可以不动了。对光线变化较大，如室外24h监看，应选用自动光圈，能够根据光线的明暗变化自动调节光圈值的大小，保证图像质量。对光线照度不均匀，特别是监视目标与背景光反差较大时，采用自动光圈镜头效果也不会很理想。

5.根据场景的具体要求来选择变焦距镜头

在监视器屏幕上显示的活动目标，当离得很近时，就可能超过屏幕大小而看不到全貌，而离得很远时可能在监视器上显示得过小而分不清细节。在这种需要远近都能清楚地观察目标的情况下，就必须考虑使用变焦距镜头。焦距越大，监看距离越远，水平视角越小，监视范围越窄；焦距越小，监看距离越近，水平视角越大，监视范围越宽。

6.考虑最佳监视范围

镜头焦距和水平视角成反比，每个焦距的镜头只能在一定范围内达到最佳的监看效果。如果监视的距离较远且范围较大时，可采用增加摄像机的数量或采用电动变焦镜头配合云台安装的方法。