光学镜头基础知识.docx

1、光学镜头基础知识CCD和CMOS的特性对比CCD也有两种：全帧(full frame)的和隔行(interline)的。这两种CCD的性能区别非常大。总的来说，全帧的CCD性能最好。其次是隔行的CCD。CMOS的综合性能最差。 full frame CCD最突出的优势是分辨率和动态范围。最弱的地方就是贵，耗电。CMOS最差的地方是分辨率，动态范围和噪声。优势就是便宜，省电。interline CCD比CMOS强的地方在于噪声。总的来说，两种CCD的颜色还原都比CMOS强。现在一般的消费级数码相机，在宣传上都不说是Full frame CCD还是Interline CCD。当然多数都是后者。专业

2、级的数码相机，肯定是前者。所以，Full frame CCD 和Interline CCD间的区别，都存在于专业级数码相机和消费级机之间。当然，专业级数码相机彩用的大面积CCD带来的好处更突出。光学镜头基础知识光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件,直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和效果。另外争取选折合适的镜头，降低机器视觉系统成本，才是产业兴旺发达的唯一出路。光学镜头规格繁多，有时不免头晕。光学镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头；从视场大小分有广角、标准，远摄镜头；结构上分有固定光圈定焦镜头，手动光圈定焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变焦镜

3、头，电动三可变（光圈、焦距、聚焦均可变）镜头等。根据我们使用的经验，俄罗斯的光学镜头很便宜。结构上分1 固定光圈定焦镜头 简单。镜头只有一个可以手动调整的对焦调整环，左右旋转该环可使成像在CCD 靶面上的图像最清晰。没有光圈调整环，光圈不能调整，进入镜头的光通量不能通过改变镜头因素而改变，只能通过改变视场的光照度来调整。结构简单，价格便宜。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，光圈范围一般从 F1.2 或 F1.4 到全关闭，能方便地适应被被摄现场地光照度，光圈调整是通过手动人为进行的。光照度比较均匀，价格较便宜。3 自动光圈定焦镜头 在手动光圈定焦镜头的光

4、圈调整环上增加一个齿轮合传动的微型电机，并从驱动电路引出3 或 4 芯屏蔽线，接到摄像机自动光圈接口座上。当进入镜头的光通量变化时，摄像机CCD 靶面产生的电荷发生相应的变化，从而使视频信号电平发生变化，产生一个控制信号，传给自动光圈镜头，从而使镜头内的电机做相应的正向或反向转动，完成调整大小的任务。4 手动光圈变焦镜头 焦距可变的，有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距，其可变比一般为23 倍，焦距一般为3.68mm。实际应用中，可通过手动调节镜头的变焦环，可以方便地选择被监视地市场的市场角。但是当摄像机安装位置固定下以后，在频繁地手动调整变焦是很不方便的。因此，工程完工后，手动变

5、焦镜头的焦距一般很少调整。仅起定焦镜头的作用。5 自动光圈电动变焦镜头 与自动光圈定焦镜头相比增加了两个微型电机，其中一个电机与镜头的变焦环合，当其转动时可以控制镜头的焦距；另一电机与镜头的对焦环合，当其受控转动时可完成镜头的对焦。但是，由于增加了两个电机且镜片组数增多，镜头的体积也相应增大。6 电动三可变镜头 与自动光圈电动变焦镜头相比，只是将对光圈调整电机的控制由自动控制改为由控制器来手动控制。场合上分：按视场大小分为：小视场镜头，普通镜头（约50 度左右），广角镜头和特广角镜头（100120 度） 1 标准镜头：视角约 50 度，也是人单眼在头和眼不转动的情况下所能看到的视角，所以又称为

6、标准镜头。5mm 相机的标准镜头的焦距多为 40mm，50mm 或 55mm。120 相机的标准镜头焦距多为 80mm 或 75mm。CCD 芯片越大则标准镜头的焦距越长。 、广角镜头：视角 90 度以上，适用於拍摄距离近且范围大的景物，又能刻意夸大前景表现强烈远近感即透视。35mm 相机的典型广角镜头是焦距 28mm，视角为 72 度。120 相机的 50，40mm 的镜头便相当于35mm 相机的 35，28mm 的镜头 、长焦距镜头：适于拍摄距离远的景物，景深小容易使背景模糊主体突出，但体积笨重且对动态主体对焦不易。35mm 相机长焦距镜头通常分为三级，135mm 以下称中焦距，13550

7、0mm 称长焦距，500mm120 相机的 150mm 的镜头相当于 35mm 相机的 105mm 镜头。由於长焦距的镜头过于笨重，所以有望远镜头的设计，即在镜头后面加一负透镜，把镜头的主平面前移，便可用较短的镜体获得镜体获得长焦距的效果。 、反射式望远镜头：是另一种超望远镜头的设计，利用反射镜面来构成影像，但因设计的关系无法装设光圈，仅能以快门来调整曝光。、微距镜头（marco lens）：除作极近距离的微距摄影外，也可远摄。 接口类型来分1 C 型镜头 法兰焦距是安装法兰到入射镜头的平行光的汇聚点之间的距离。法兰焦距为17.526mm 或 0.690in。安装罗纹为：直径1in，32 牙.

8、in。镜头可以用在长度为 0.512in (13mm)以内的线阵传感器。但是，由于几何变形和市场角特性，必须鉴别短焦镜头是否合用。如焦距为12.6mm 的镜头不应该用长度大于 6.5mm 的线阵。 如果利用法兰焦距尺寸确定了镜头到列阵的距离，则对于物方放大倍数小于20 倍时需增加镜头接圈。接圈加在镜头后面，以增加镜头到像的距离，以为多数镜头的聚焦范围位510 。镜头接长距离为焦距/物方放大倍数。 2 CS 型镜头 With a 5 mm adapter ring, a C lens can be used on a CS-mount camera. 3 U 型镜头 一种可变焦距的镜头，其法兰焦

9、距为 47.526mm 或 1.7913in，安装罗纹为 M421。主要设计作 35mm 照片应用（如国产和进口的各种135 相机镜头），可用于任何长度小于 1.25in(38.1mm)的列阵。建议不要用短焦距镜头。 4 42mm 镜头3 L 型镜头 固定焦距宽视场镜头，最初设计作照相放大作用（如国产各种放大机镜头），且在2.25in(63.5mm)视场内具有良好的特性。法兰焦距是具体镜头的函数。安装螺纹为M391.0。可用于长度为 1.25in(35.1)以内的列阵，且不受限制。4 特殊镜头 如显微放大系统。 要特别注意CS 和 C 的差别，不同类型的 camera 和 不同类型的 Len

10、连接时，要定制转接环。国外很贵，一个约$50,不如自己加工。光学镜头的主要参数和评价主要参数有焦距，视场，物距，光圈，快门等。对于镜头最完善的评价莫过于MTF （Modulation Transfer Function）。但是由于像差（标定的原因），镜头的每个范围都有一个MTF 值。这些范围指的是：（1）近轴部分，2）离轴部分，3）当光学系统存在不对称畸变时，上述两部分在不同方向上的子部分。每个部分对于不同的辐射能量波长范围，都有各自相应的MTF 值。 MTF 是评价成像系统的最常用、最优的指标，也是指导机器视觉系统集成的最优指标。 光圈常识 照相机的镜头有一个控制透光量的装置，就叫光圈光圈开

11、的大，透光量便大；开的小，透光量便小但只靠光圈还不能完全描述作用於软片上的光线强度，镜头与软片间的距离也有关系，也就是和镜头的焦距有关系焦距小光圈离软片较近，光线的作用便较强有一个名词光圈系数，光圈系数是将 镜头焦距除以光圈的直径所得的值，用表示例如有甲乙丙三镜头，甲镜头 的焦距为，最大光圈直径为，则光圈系数是 ，我们说它是的镜头；乙镜头的焦距为，最大光圈直径为 ，光圈系数是，我们也说它是的镜头；丙镜头 的焦距为，最大光圈直径为，则光圈系数是 ，我们说它是的镜头乙镜头的孔洞比甲镜头小，但光圈系数相同， 於是透光到软片上的强度是一样；甲丙镜头的孔洞一样大，但光圈系数不同， 於是透光到软片上的强度

12、是不一样的所有相机镜头的光圈都已标准化，就是 f1,f1.4,f2,f2.8,f4,f5.6,f8,f11,f16,f22,f32等光圈的功能有二： 1.控制光量的透入：光线透过镜头射到软片的强度是和光圈系数平方成反比，也就是相邻两级的光圈作用於软片上的光线强度有两倍的关系是的倍，是的倍 2.调节景深：所谓的景深，就是镜头对焦处前後所能成像清晰的范围，它镜头焦距，光圈，及被摄景物主体的距离有关，镜头焦距越短，光圈越小，被摄物的距离，景深越大清晰的范围越大，反之亦然所以就光圈来讲，小光圈景深大，清晰细密的表出远近的明锐感；大光圈景深小，则可使主体突出，表现主体以外前後主题的模糊感值得一提的是，若

13、要前後景物都清晰，应使用小光圈，但以小到能涵盖希望的景深即可，不必过小，过小便会受到绕射的影响，反而降低其解像力！ 快门常识 相机的快门是控制曝光时间长短的机关，快门经常处於关闭状态，已防装在相机内的底片露光，摄影时将它一开一闭，让透过镜头的影像光线作用於软片上。早期的座架式相机没有快门装置。仅备一镜头盖套在镜头上，取景对焦时取下镜头盖，套上镜头盖再装感光片，摄影时将镜头盖掀开一刹那时间遂即盖上。现在快门已进步到由机械或电子操纵开启时间。快门的功能有二分述如下： 开启时间的长短来控制透入光量的多寡。假若被摄体的明度和镜头的光圈 不变，快门开启时间长，作用於软片的光量多，快门开启时间短，作用於

14、软片的光量少。快门开启时间的长短叫做快门速度（Shutter speed)。为 便於调整曝光，镜头快门相机的镜头上装有快门速度调整环，焦面快门相 机（较普遍）的机身上装有快门速度调整环。在快门速度调整环上，将快 门速度分为若干级。为配合光圈调整曝光，每相邻两级的快门速度也是二 与一之比。所有各种相机的快门速度分级都以标准化，即 4, 2, 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/15,1/30, 1/60, 1/125, 1/250, 1/500, 1/1000, 1/2000, 1/4000, B, T。 快於一秒的快门速度的刻度只用 2,4,8.等分母数字表示，分别代表1/2 ,1/4,1

15、/8.，一秒及慢於一秒的用不同颜色数字标示。B为Bubble的缩 写，代表按下快门钮时快门便开启，放松便关闭。T是Time 的缩写，代表 按下快门钮时快门便开启，再按一次才关闭。 配合光圈曝光：摄影曝光正确，才能产生层次丰富细节清晰的照片。曝光 要正确，必须按照软片速度与光圈强弱，将快门速度和光圈适当配合。控制镜头进光量，需要由镜头的所谓孔径光阑(Diaphragm)来控制。 孔径光阑都是位于镜头内部，通常由多片可活动的金属叶片(称为光阑叶片)组成，可以使中间形成的(近似)圆孔变大或者缩小，以达到控制通过光量大小的目的。我们用孔径来描述镜头的通光能力，而孔径受到光阑的控制。对于不同的镜头而言，

16、光阑的位置不同，焦距不同，入射瞳直径也不相同，用孔径来描述镜头的通光能力，无法实现不同镜头的比较。为了方便在实际摄影中计算曝光量和用统一的标准来衡量不同镜头的孔径光阑实际作用，采用了相对孔径的概念。相对孔径 = 镜头焦距 / 入射瞳直径 = f/d比如某个镜头的焦距为50mm，入射瞳直径为25mm，那么该镜头的相对孔径就是50/25=2。通常表示相对孔径的办法是在相对孔径前面加入f/，比如f/1.4、f/2、f/2.8等，也有用1:2来表示f/2的。通常镜头标记上用类似1:2的方式更多些。在实际使用中，很少使用相对孔径的称呼，通常都是用光圈系数(f-Stops)来称呼，简称光圈或者f-系数。在

17、镜头的标记上，通常都是标记镜头的最大光圈系数，如图所示： 现在标记镜头的相对孔径都是用了一系列标准化的数值：可以看到：每一个数值都与相邻数值有一个 的关系，表明后一个数值的通光量为前面一个的一半，前一个数值的通光量是后面一个的两倍。因为根据圆面积的计算公式，镜头通过的光量与f系数的平方成反比。比如：f/5.6的通光量是f/4的一半；是f/8的两倍。焦点 (focal point、focus)：对于一个理想透镜而言：远处的物体可以近似地看成时位于无限远处。该无限远处的物体上任何一点发出的到达理想透镜的光线，可以看成是平行光。所谓光轴就是一条垂直穿过理想透镜中心的光线。与光轴平行的光线射入凸透镜时

18、，理想的凸镜应该是所有的光线会聚在透镜后面一点上，这个会聚所有光线的一点，就叫做焦点。例如使用放大镜将太阳光聚光后，形成最小点的就是焦点。焦点一定在光轴上。 在光学术语上，以透镜为界：被摄物体所在的空间称为物方空间；被摄物体所发出的光穿越透镜在透镜后面形成的像所在的空间称为像方空间；在像方空间所形成的焦点称为像方焦点或后焦点；反之，从像方开始，投射出与光轴平行的光线，并在透镜物体空间所形成的焦点，称为物方焦点或前焦点。 注意：对于凹透镜而言，物方焦点与像方焦点的位置与凸透镜相反主点 (Principal point)：一个透镜得轴向厚度与其直径、物距、像距以及焦距相比显得很小，就可以认为该透镜

19、是薄透镜。一片薄的双凸透镜的焦点距离，一般指镜片的中心到焦点为止的光轴上的距离，这个镜片的中心叫做主点。实际的镜头都是由数片凸透镜和凹透镜组合而成，无法直接分辨出主点的位置。当焦点处于无限远时，镜头主点到结像平面的距离 = 焦距 对于某种画幅而言，标准镜头的焦距值约等于画幅对角线长度，其主点的位置在镜头的光学组内前主点/后主点(front principal point/rear principal point)如下图所示，假设从 a 射入的光线，折射之后通过 n 和 n 致到达了 b 。对于光轴而言，a-n与 n-b 之间产生相似的角度，因此，在光轴上可以得出 h、h 两个交点。这两个交点

20、h 和 h 就叫做主点，其中 h 为前主点(第一主点)，h 为后主点(第二主点)。前主点与后主点之间的距离称为主点间隔。 焦点距离(focal length)摄影镜头从后主点(h)到后焦点的距离就是焦点距离。 虽然镜头的种类不同，会有主点的前后关系位置相反，或者 h 落到组合的镜头之外的现象发生。无论何种情况，从后主点 h 到后焦点之间的距离，就是焦点距离。望远型镜头和逆望远型(retrofocus lens)镜头的后主点 h 的位置，如下图所示。 长焦镜头主点位置比标准镜头的更靠前，其主点位于镜头前组光学组外 广角镜头主点位置比标准镜头的更靠后，其主点位于镜头后组光学组外后焦距离(back

21、focus)当焦点在无限远时，镜头最后一片镜片面的顶点到胶片平面在光轴上之间距离，称为后焦距离。单反机由于其工作原理，在动作过程重，反光镜必须往上翻起。所以，后焦距离比较短的广角镜头，反光镜会碰到最后一组镜片。所以，单反机用的广角镜头，必须采用后焦距离比较长的逆望远型镜头。选择镜头的技术依据和不同种类镜头的应用范围 二、选择镜头的技术依据 (1)镜头的成像尺寸 应与摄像机C C D靶面尺寸相一致，如前所述，有1英寸、23英寸、12英寸、13英寸、14英寸、15英寸等规格。 (2)镜头的分辨率 描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变，但对用户而言，需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率，

22、以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位，计算公式为：镜头分辨率N二1 8 0画幅格式的高度。由于摄像机CCD靶面大小已经标准化，如12英寸摄像机，其靶面为宽6.4mm*高4.8mln，13英寸摄象机为宽4.8mm高36mm。因此对12英寸格式的C C D靶面，镜头的最低分辨率应为3 8对线mm，对13英寸格式摄像机，镜头的分辨率应大于5 0对线，摄像机的靶面越小，对镜头的分辨率越高。 (3)镜头焦距与视野角度 首先根据摄像机到被监控目标的距离，选择镜头的焦距，镜头焦距f确定后，则由摄像机靶面决定了视野。 (4)光圈或通光量 镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量，以F为标记，每个镜头上

23、均标有其最大的F值，通光量与F值的平方成反比关系，F值越小，则光圈越大。所以应根据被监控部分的光线变化程度来选择用手动光圈还是用自动光圈镜头。 三、变焦镜头(zoom lens) 变焦镜头有手动伸缩镜头和自动伸缩镜头两大类。伸缩镜头由于在一个镜头内能够使镜头焦距在一定范围内变化，因此可以使被监控的目标放大或缩小，所以也常被成为变倍镜头。典型的光学放大规格有6倍(6.0-36mm，F1.2)、8倍(45-36mm，F16)、1 0倍(80-80mm，F12)、12倍(6.0-72mm，F12)、2 0倍(10-200mm，F1.2)等档次，并以电动伸缩镜头应用最普遍。为增大放大倍数，除光学放大外

24、还可施以电子数码放大。在电动伸缩镜头中，光圈的调整有三种，即：自动光圈、直流驱动自动光圈、电动调整光圈。其聚焦和变倍的调整，则只有电动调整和预置两种，电动调整是由镜头内的马达驱动，而预置则是通过镜头内的电位计预先设置调整停止位，这样可以免除成像必须逐次调整的过程，可精确与快速定位。在球形罩一体化摄像系统中，大部分采用带预置位的伸缩镜头。另一项令用户感兴趣的则是快速聚焦功能，它由测焦系统与电动变焦反馈控制系统构成。 四、镜头与摄像机CCD 尺寸的关系 12镜头既可用于12摄像机，也可用于13摄像机，但视角会减少25左右。 13镜头不能用于12摄像机，只能用于13摄像机。 五、不同种类镜头的应用范

25、围 手动、自动光圈镜头的应用范围 手动光圈镜头是的最简单的镜头，适用于光照条件相对稳定的条件下，手动光圈由数片金属薄片构成。光通量靠镜头外径上的个环调节。旋转此圈可使光圈收小或放大。 在照明条件变化大的环境中或不是用来监视某个固定目标，应采用自动光圈镜头，比如在户外或人工照明经常开关的地方，自动光圈镜头的光圈的动作由马达驱动，马达受控于摄像机的视频信号。 手动光圈镜头和自动光圈镜头又有定焦距(光圈)镜头自动光圈镜头和电动变焦距镜头之分。 定焦距(光圈)镜头，一般与电子快门摄像机配套，适用于室内监视某个固定目标的场所作用。 定焦距镜头一般又分为长焦距镜头，中焦距镜头和短焦距镜头。中焦距镜头是焦距

26、与成像尺寸相近的镜头；焦距小于成像尺寸的称为短距镜头，短焦距镜头又称广角镜头，该镜头的焦距通常是28mm以下的镜头，短焦距镜头主要用于环境照明条件差，监视范围要求宽的场合，焦距大于成像尺寸的称为长焦距镜头，长焦距镜头又称望远镜头，这类镜头的焦距一般在150mm以上，主要用于监视较远处的景物。 手动光圈镜头，可与电子快门摄像机配套，在各种光线下均可使用。 自动光圈镜头，(EF)可与任何CCD摄像机配套，在各光线下均可使用，特别用于被监视表面亮度变化大、范围较大的场所。为了避免引起光晕现象和烧坏靶面，一般都配自动光圈镜头。 电动变焦距镜头，可与任何CCD摄像机配套，在各种光线下均可使用，变焦距镜头

27、是通过遥控装置来进行光对焦，光圈开度，改变焦距大小的。 六、镜头的主要性能指标有以下几个： 1、焦距：焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是有一个大的观测范围重要，如果要看细节，就选择长焦距镜头；如果看近距离大场面，就选择小焦距的广角镜头。 2、光阑系数：即光通量，用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。每个镜头上都

28、标有最大F值，例如6mmP14代表最大孔径为429毫米。光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。镜头上光圈指数序列的标值为1.4，2，2.8，4，5.6，8，1 1，16，22等，其规律是前一个标值时的曝光量正好是后一个标值对应曝光量的2倍。也就是说镜头的通光孔径分别是1/1.4，12，12.8，14，15.6，18，111，116，122，前一数值是后一数值的根号2倍，因此光圈指数越小，则通光孔径越大，成像靶面上的照度也就越大。另外镜头的光圈还有手动(MANUAL IRIS)和自动光圈(AUTO IRIS)之分。配合摄像头使用，手动光圈适合亮度变化不大的场合，它的进光量通过镜头上

29、的光圈环调节，一次性调整合适为止。自动光圈镜头会随着光线的变化而自动调整，用于室外、人口等光线变化大且频繁的场合。 3、自动光圈镜头：自动光圈镜头目前分为两类：一类称为视频(VIDEO)驱动型，镜头本身包含放大器电路，用以将摄像头传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制。另一类称为直流(DC)驱动型，利用摄像头上的直流电压来直接控制光圈。这种镜头只包含电流计式光圈马达，要求摄像头内有放大器电路。对于各类自动光圈镜头，通常还有两项可调整旋钮，一是ALC调节 (测光调节)，有以峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择， 一般取平均测光档；另一个是LEVEL调节(灵敏度)，可将输出图像变得明亮或者

30、暗淡。 4、变倍镜头：变倍镜头分为手动(MANUAL ZOOM LENS)和电动(AUTO ZOOM LENS)两种，手动变倍镜头一般用于科研项目而不用在闭路监视系统中。在监控很大的场面时，摄像头通常要配合电动镜头和云台使用。电动镜头的好处是变焦范围大，既可以看大范围的情况，也可以聚焦某个细节，再加上云台可以上下左右的转动，可视范围就非常大了。电动镜头有6倍、10倍、15倍、20倍等多种倍率，如果再知道 。 在介绍镜头前，必须先解释一下“焦距”这个名词。就单片透镜的镜头而言，焦点与镜头中心点的距离便是焦距。复式镜头的焦距俗说是焦点与光圈位置间的距离，实际上是焦点与镜头后节点的距离。望远镜头的后

31、节点远在最前镜片之前，广角镜头则在最后镜片之后，所以依镜头设计的不同而有所差异。 镜头选购注意事项当你在考虑购买不同的镜头时，以下几点是值得事先考虑的： 如果镜头的制造商和你的相机的不同，那么一定要弄清楚在加上新镜头后，相机上的功能是否仍然能够使用，像自动聚焦、程序模式、智能测光等等。 另外一个需要考虑的问题是镜头的制作材料，有些镜头非常轻，它们的镜头筒大都是用聚碳酸酯做成的；还有一些则是用相当重的金属材料做成的。通常来说，中等价格的聚碳酸酯镜头就能够满足你的需要了。如果你经常更换镜头，那么你最好选用一个不锈钢（而不是聚碳酸酯）的镜头。 右图是使用广角镜头拍摄的大片野花，正是因为广角镜头的使用，才能够让这片的野花看起来就像是一块大地毯，如果使用的是远距镜头则绝对达不到这样的视觉效果。 检查镜头的保修期限，一般是1年到6年不等，镜头的保修服务通常都是由零售商提供的，因此在选购镜头的时候一定要选择信誉好的商店。 查看镜头说明书上的关于镜片类型的介绍，标明有低像散或非球面透镜的镜头能够产生更好的图象效果。 如果你想拍摄到