镜头的分类及选型

镜头的分类及选型

镜头的分类

镜头种类繁多，已经发展成一个庞大的体系，以适应各种场合条件下的应用。对镜头的划分也可以从不同的角度来进行：

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按工作波长分：紫外、可见光、近红外、红外，按照应用还有X-ray镜头之分

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变焦与否：定焦、变焦

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工作距离：望远物镜（物距很大）、普通摄影镜头（物距适中）、显微镜头（物距很

小）

其它类别：

线阵镜头：配合线阵相机使用的镜头。采用扫描式的工作方式，需要镜头与目标相对运动，每次曝光成像一条线，多次曝光组成一幅图像。线阵扫描成像的特点：CCD线阵方向的图像分辨率固定，而在目标的运动方向上，空间采样频率与运动的相对速度有关。

从成像的角度讲，线阵镜头和其它类型的镜头并没有本质的差异。只是对镜头的使用方式不同而已。

显微镜头：为了看清目标的细节特征，显微镜头一般使用在高分辨率的场合。它们基本的特点是工作距离短，放大倍率高，视场小。

如何选择镜头

镜头的选择过程，是将镜头各项参数逐步明确化的过程。作为成像器件，镜头通常与光源、相机一起构成一个完整的图像采集系统，因此镜头的选择受到整个系统要求的制约。一般地可以按以下几个方面来进行分析考虑。

波长、变焦与否

镜头的工作波长和是否需要变焦是比较容易先确定下来的，成像过程中需要改变放大倍率的应用，采用变焦镜头，否则采用定焦镜头就可以了。

关于镜头的工作波长，常见的是可见光波段，也有其他波段的应用。是否需要另外采取滤光措施？单色光还是多色光？能否有效避开杂散光的影响？把这几个问题考虑清楚，综合衡量后再确定镜头的工作波长。

特殊要求优先考虑

结合实际的应用特点，可能会有特殊的要求，应该先明确下来。例如是否有测量功能，是否需要使用远心镜头，成像的景深是否很大等等。景深往往不被重视，但是它却是任何成像系统都必须考虑的。

工作距离、焦距

工作距离和焦距往往结合起来考虑。一般地，可以采用这个思路：先明确系统的分辨率，结合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离，进一步估算镜头的焦距。所以镜头的焦距是和镜头的工作距离、系统分辨率（及CCD像素

尺寸）相关的。

像面大小和像质

所选镜头的像面大小要与相机感光面大小兼容，遵循“大的兼容小的”原则——相机感光面不能超出镜头标示的像面尺寸——否则边缘视场的像质不保。

像质的要求主要关注MTF和畸变两项。在测量应用中，尤其应该重视畸变。

光圈和接口

镜头的光圈主要影响像面的亮度。但是现在的机器视觉中，最终的图像亮度是由很多因素共同决定的：光圈、相机增益、积分时间、光源等等。所以为了获得必要的图像亮度有比较多的环节供调整。

镜头的接口指它与相机的连接接口，它们两者需匹配，不能直接匹配就需考虑转接。

成本和技术成熟度

如果以上因素考虑完之后有多项方案都能满足要求，则可以考虑成本和技术成熟度，进行权衡择优选取。

例如，要给硬币检测成像系统选配镜头，约束条件：相机CCD 2/3英寸，像素尺寸4.65μm，C口。工作距离大于200mm，系统分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。

基本分析如下：

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与白色LED光源配合使用的，镜头应该是可见光波段。没有变焦要求，选择定焦镜

头就可以了。

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用于工业检测，其中带有测量功能，所以所选镜头的畸变要求小。

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工作距离和焦距

成像的放大率M=4.65/（0.05x1000）=0.093

焦距f’=L*M/（M+1）=200*0.093/1.093=17mm

物距要求大于200mm，则选择的镜头要求焦距应该大于17mm。

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选择镜头的像面应该不小于CCD尺寸，即至少2/3 英寸。

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镜头的接口要求是C口，能配合相机使用。光圈暂无要求。

从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的“轮廓”：焦距大于17mm，定焦，可见光波段，C口，至少能配合2/3英寸CCD使用，而且成像畸变要小。按照这些要求，可以进一步的挑选，如果多款镜头都能符合这些要求，可以择优选用。

在选择镜头时，有以下五个因素确定镜头标准：

（1） 监控现场的大小；

（2） 被摄物体的大小；

（3） 物距；

（4） 焦距；

（5） CCD靶面尺寸 。

前4点可由现场测量并通过计算来确定镜头的焦距标准，其计算方法如下：

u 1/3″CCD F=4.8×L/W或F=3.6×L/H

u 1/2″CCD F=6.4×L/W或F=4.8×L/H

其中，W为被摄物体的宽度；H为被摄物体的高度；L为镜头到被摄物体间的距离；F为镜头焦距。

那么为何在镜头的选用中考虑CCD靶面的尺寸呢?

为了从1/3″与1/2″ CCD摄像机中获取同样的视角，1/3″ CCD摄像机镜头焦距必须缩短；相反如果在1/3″ CCD与1/2″ CCD摄像机中采用相同焦距的镜头，情况又如何呢? 1/3″ CCD摄像机视角将比1/2″ CCD摄像机明显地减小，同时1/3″ CCD摄像机的图像在监视器上将比1/2″ CCD的图像放大，产生了使用长焦距镜头的效果。

另外我们在选择镜头时还要注意这样一个原则：即小尺寸靶面的CCD可使用大尺寸靶面CCD摄像机的镜头，反之则不行。原因是：如1/2″ CCD摄像机采用1/3″镜头，则进光量会变小，色彩会变差，甚至图像也会缺损；反之，则进光量会变大，色彩会变好，图像效果肯定会变好。当然，综合各种因素，摄像机最好还是选择与其相匹配的镜头。

手动光圈及自动光圈的选择

镜头光圈分手动和自动两种。以往由于摄像机的使用在室外或其它特殊场合等缘故，所以较多选用自动光圈镜头。在目前的监控工程中，由于智能建筑大量使用CCTV系统，室内监控点占较高的比例。而许多工程商在做工程设备报价时，也同样喜欢采用自动光圈镜头。虽然自动光圈镜头对监控点的光线变化适应性较强，但其价格也明显高于相同焦距的手动定焦镜头。而现在大多数的摄像机都有电子快门，室内的光源也较为稳定，因此，智能建筑项目中大量采用自动光圈镜头没有太大的必要。

在电视监控系统中如何根据现场被监视环境，正确选用摄像机镜头是非常重要的，因为它直接影响到系统组成后在系统末端监视器上所看到的被监视面画的效果能否满足系统的设计要求(就画面范围或图像细节而言)，所以正确的选用摄像机镜头可以使系统得到最优化设计并可获得良好的监视效果。

摄像机镜头就光圈而言可分为手动光圈镜头及自动光圈镜头两种，就焦距而言又可分为定焦镜头及变焦镜头两种。

下面就以使用环境的不同谈如何正确选用摄像机镜头。

1、 手动、自动光圈镜头的选用

手动、自动光圈镜头的选用取决于使用环境的照度是否恒定。

对于在环境照度恒定的情况下，如电梯轿箱内、封闭走廊里、无阳光直射的房间内，均可选用手动光圈镜头，这样可在系统初装调试中根据环境的实际照度，一次性整定镜头

光圈大小，获得满意亮度画面即可。

对于环境照度处于经常变化的情况，如随日照时间而照度变化较大的门厅、窗口及大堂内等，均需选用自动光圈镜头(必须配以带有自动光圈镜头插座的摄像机)，这样便可以实现画面亮度的自动调节，获得良好的较为恒定亮度的监视画面。

对于自动光圈镜头的控制信号又可分为DC及VIDEO控制两种，即直流电压控制及视频信号控制。这在自动光圈镜头的类型选用上，摄像机自动光圈镜头插座的连接方式上，以及选择自动光圈镜头的驱动方式开关上，三者注意协调配合好即可。

2、定焦、变焦镜头的选用

定焦、变焦镜头的选用取决于被监视场景范围的大小，以及所要求被监视场景画面的清晰程度。

镜头规格(镜头规格一般分为1/3″、1/2″和2/3″等)一定的情况下，镜头焦距与镜头视场角的关系为：镜头焦距越长，其镜头的视场角就越小(见图1所示)；在镜头焦距一定的情况下，镜头规格与镜头视场角的关系为：镜头规格越大，其镜头的视场角也越大。所以由以上关系可知：在镜头物距一定的情况下，随着镜头焦距的变大，在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就越小，但画面细节越来越清晰；而随着镜头规格的增大，在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就增大，但其画面细节越来越模糊。在镜头规格及镜头焦距一定的前提下，CS型接口镜头的视场角将大于C型接口镜头的视场角。

镜头视场角可分为图像水平视场角以及图像垂直视场角，且图像水平视场角大于图像

垂直视场角，通常我们所讲的视场角一般是指镜头的图像水平视场角。

在狭小的被监视环境中如电梯轿箱内，狭小房间均应采用短焦距广角或超广角定焦镜头，如选用镜头规格为1/2″，CS型接口，镜头焦距为3.6mm或2.6mm镜头，这些镜头视场角均不小于99°或127°，这对于摄像机在狭小空间里一般标高为2.5m左右时，其镜头的视场角范围足以覆盖整个近距离狭小被监视空间。也可根据现场实际情况选用手动变焦镜头如日产Computar T2Z2814CS－2镜头，这种镜头为1/3″CS型接口手动光圈镜头，其焦距2倍可调(手动调焦)。调焦范围为2.8～6.0mm，视场角变化范围为96°～47.2°，这种镜头非常适合在狭小的被监视环境中使用，在使用时可方便地根据实际需要，灵活实现对被监视场景的“点”或“面”的监视效果。

对于一般变焦(倍)镜头而言，由于其最小焦距通常为6.0mm左右，故其变焦(倍)镜头的最大视场角为45°左右，如将此种镜头用于这种狭小的被监视环境中，其监视死角必然增大，虽然可通过对前端云台进行操作控制，以减少这种监视死角，但这样必将会增加系统的工程造价(系统需增加前端解码器、云台、防护罩等)，以及系统操控的复杂性，所以在这种环境中，不宜采用变焦(倍)镜头。

在开阔的被监视环境中，首先应根据被监视环境的开阔程度，用户要求在系统末端监视器上所看到的被监视场景画面的清晰程度，以及被监视场景的中心点到摄像机镜头之间的直线距离为参考依据，在直线距离一定且满足覆盖整个被监视场景画面的前提下，应尽量考虑选用长焦距镜头，这样可以在系统末端监视器上获得一幅具有较清晰细节的被监视场景画面。在这种环境中也可考虑选用变焦(倍)镜头(电动三可变镜头)，这可根据系统的设计要求以及系统的性能价格比决定，在选用时也应考虑两点：(1)在调节至最短焦距时(看全景)应能满足覆盖主要被监视场景画面的要求；(2)在调节至最长焦距时(看细节)应能满足观察被监视场景画面细节的要求。通常情况下，在室内的仓库、车间、厂房等环境中一般选

用6倍或者10倍镜头即可满足要求，而在室外的库区、码头、广场、车站等环境中，可根据实际要求选用10倍、16倍或20倍镜头即可(一般情况下，镜头倍数越大，价格越高，可在综合考虑系统造价允许的前提下，适当选用高倍数变焦镜头)。

3、正确选用镜头焦距的理论计算

摄取景物的镜头视场角是极为重要的参数，镜头视场角随镜头焦距及摄像机规格大小而变化(其变化关系如前所述)，覆盖景物镜头的焦距可用下述公式计算：

(1)f=u·D/U

(2)f=h·D/H

f：镜头焦距、U：景物实际高度、H：景物实际宽度、D：镜头至景物实测距离、u：图像高度、h：图像宽度

举例说明：

当选用1/2″镜头时，图像尺寸为u=4.8mm，h=6.4mm。镜头至景物距离D=3500mm，景物的实际高度为U=2500mm(景物的实际宽度可由下式算出H=1.333·U，这种关系由摄像机取景器CCD片决定)。

将以上参数代入公式(1)中，可得f=4.8·3500/2500=6.72mm，故选用6mm定焦镜头即可。