摄像机镜头的选用

摄像机镜头的选用本文简要介绍电视监控糸统工程设计时，对监控设备中摄像机镜头的选用，其中主要介绍选用镜头的程序步骤，镜头选择尺和速查表，镜头与摄像机的接口安装，镜头的放大倍数的计算等。

关键词:摄像机镜头镜头选择尺速查表焦距接口1前言摄像机镜头的种类繁多：从焦距上分类，可分为短焦距、中焦距、长焦距和变焦距镜头；从视场的大小分类，可分为广角、标准、狭窄或远摄镜头；从结构上分类，可分为固定光圈定焦、手动光圈定焦、自动光圈定焦、手动变焦、自动光圈电动变焦、电动三可变、针孔等镜头类型。在电视监控系统中除单板机或超小型一体化机外，一般提到的摄像机均指的是CCD裸机。因此镜头选择得合适与否，直接关系到摄像质量的优劣。所以在电视监控系统的设计中，选择镜头是最关键最重要的环节之一。下面对镜头选用的几个具体问题作一介绍。2镜头选择尺和速查表经过多年的发展，现在已有许多实用的表格和工具来大大简化选择镜头的工作量。2.1镜头选择速查表表1、2和3是美国赫曼·克鲁格在CCTV完全手册中推荐的速查表，它列出了1/2、2/3和1/3英寸传感器在特定的物距和焦距下能够看到的场景尺寸，反过来也可根据物距和场景尺寸等选择镜头的焦距。表中单位的英尺和英寸只需换算成米制即可（1英尺=30.48厘米；1英寸=2.54厘米）。如要计算1英寸传感器能看到的场景尺寸（宽度和高度），只需将1/2英寸传感器数据表格（表1）中所有的场景尺寸乘以2即可。对于1/3英寸的传感器，可以在表2中查找，也可以将2/3英寸传感器的数据表格（表2）中的场景尺寸除以2。正确理解表1、2和3会使得为特定视场范围选择镜头的工作变得容易。如我们希望用一个1/2英寸的摄像机从40英尺远处观察宽为20、高为15英尺的场景的全貌。查表1，从距离40一格中向下找到20.6×15.5即可达到所要求的场景，其对应的焦距为12，所以选用焦距为12毫米的镜头正好。

如果按同样的距离和场景的要求，若使用2/3英寸的摄像机，以同样的方法查表2可知，可选择拍摄到宽为22.5英尺和高为16.7英尺的场景的焦距为16毫米的镜头；

如果按同样的距离和场景的要求，若使用1/3英寸的摄像机，以同样的方法查表3也可选择至拍摄宽为22.0英尺和高为16.4英尺场景的焦距为8毫米的镜头。表1：场景尺寸与镜头焦距和场景物距之间的关系（1/2英寸摄像机）1/2英寸传感器镜头选择表焦距mm摄像机与场景之间的距离D（以英尺为单位）

视场范围：宽H和高V（以英尺为单位）5102030405075H×VH×VH×VH×VH×VH×VH×V2.6

3.5

4.0

4.8

6.0

7.5

8.0

12.0

16.0

25.0

50.0

75.0

15012.1×9.3

9.0×6.9

7.8×6.0

6.5×4.8

5.1×3.9

4.1×3.1

3.9×3.0

2.6×1.9

1.9×1.5

1.3×1.0

.62×.46

.41×.31

.21×.1624.9×18.8

18.5×14.0

15.6×11.6

12.9×9.7

10.3×7.8

8.3×6.2

7.8×5.8

5.2×3.9

3.9×2.9

2.3×2.0

1.2×.93

.82×.62

.41×.3148.5×37.7

36.0×28.0

31.0×23.2

25.9×119.5

20.7×15.5

16.5×12.4

15.5×11.6

10.3×7.8

7.8×5.9

5.2×3.0

2.5×1.9

1.7×1.2

.85×.6072.6×55.8

54.0×41.4

46.8×36.0

39.0×28.8

30.6×23.4

24.6×18.6

23.4×18.0

15.6×11.4

11.4×9.0

7.8×6.0

3.7×2.8

2.5×1.9

1.3×1.098.3×74.0

73.0×55.0

62.0×46.4

51.7×38.8

41.3×31.0

33.0×24.8

31.0×23.2

20.6×15.5

15.5×11.6

10.0×7.8

4.9×3.7

3.3×2.5

1.7×1.3123.8×94.2

92.0×70.0

77.6×58.2

64.6×48.8

51.6×38.8

41.3×31.0

38.8×29.1

25.8×19.4

19.4×14.5

13.0×9.7

6.2×4.7

4.1×3.1

2.1×1.6185.8×141.0

138.0×105.0

116.4×87.4

96.9×72.6

77.4×58.2

62.0×46.5

58.2×43.7

38.7×29.1

29.1×21.8

19.5×10.1

9.3×7.1

6.2×4.7

3.1×1.9注意：1/2英寸镜头不能与2/3或1英寸的传感器配用（镜头太小）。表2：场景尺寸与镜头焦距和场景物距之间的关系（2/3英寸摄像机）2/3英寸传感器镜头选择表焦距mm摄像机与场景之间的距离D（以英尺为单位）

视场范围：宽H和高V（以英尺为单位）5102030405075H×VH×VH×VH×VH×VH×VH×V

4.0

4.8

6.5

8.0

12.5

16.0

25.0

50.0

75.0

100

15011.0×8.2

10.0×7.5

6.8×5.0

5.5×4.1

3.5×2.6

2.8×2.1

1.7×1.3

.84×.63

.58×.43

.42×.32

.29×.2222.0×16.4

20.0×15.0

13.6×10.1

11.0×8.2

7.0×5.3

5.6×4.2

3.6×2.7

1.7×1.3

1.1×.98

.85×.65

.55×.49

44.0×33.0

40.0×30.0

27.0×20.3

22.0×16.5

14.0×10.5

11.1×8.3

7.0×5.3

3.3×2.4

2.2×1.6

1.7×1.2

1.1×.8066.0×49.2

60.0×45.0

40.8×30.3

33.0×24.6

21.0×15.6

16.8×12.6

10.5×8.0

5.0×3.8

3.5×2.6

2.5×1.9

1.8×1.3

88.0×64.0

80.0×60.0

54.2×39.4

44.0×32.0

28.0×21.0

22.5×16.7

14.0×10.7

6.5×4.9

4.3×3.2

3.3×2.5

2.2×1.6

112.0×84.0

100.0×75.0

68.9×51.7

56.0×42.0

35.0×26.2

28.0×21.0

22.5×16.7

14.0×10.7

6.5×4.9

4.2×3.2

2.8×2.1168×126

150×125

103.4×77.6

84.0×63.0

52.0×39.3

42.0×31.5

27.0×20.0

12.5×9.4

8.3×6.2

6.3×4.2

4.2×3.1注意：2/3英寸镜头不能与1英寸的传感器配用（镜头太小）表3：场景尺寸与镜头焦距和场景物距之间的关系（1/3英寸摄像机）1/3英寸传感器镜头选择表焦距mm摄像机与场景之间的距离D（以英尺为单位）

视场范围：宽H和高V（以英尺为单位）5102030405075H×VH×VH×VH×VH×VH×VH×V2.8

3.3

3.8

4.0

4.5

6.7

8.0

9.07.9×5.6

6.7×5.0

5.8×4.3

5.5×4.1

5.0×3.8

3.3×2.5

2.8×2.1

2.5×1.915.8×11.2

13.4×10.0

11.6×8.6

11.0×8.2

10.0×7.6

6.6×5.0

5.5×4.1

5.0×3.831.6×22.4

26.8×20.0

23.2×17.2

22.0×16.4

20.0×15.2

13.2×10.0

11.0×8.2

10.0×7.647.4×33.6

40.2×30.0

34.8×25.8

33.0×24.6

30.0×22.8

19.8×15.0

16.5×13.7

15.0×11.4

63.2×44.8

53.6×40.0

46.4×14.4

44.0×33.0

40.0×30.4

26.4×20.0

22.0×16.4

20.0×15.2

79.0×56.0

67.0×50.0

58.0×43.0

55.0×41

50.0×38

33.0×25

27.5×20.5

25.0×19.0

118.5×84.0

100.5×75.0

87.0×64.5

82.5×61.5

75.0×57.0

49.5×37.5

41.0×30.8.

37.5×28.5注意：1/3英寸镜头不能与1/2、2/3和1英寸的传感器配用（镜头太小）2.2镜头选择尺从前面镜头的有关公式可知，由于镜头的成像尺寸、焦距、视场角等参数具有一一对应的关系，因此，一些专业镜头生产厂商（如computar及精工等）还专门制作了如图1所示的镜头选择计算尺。该计算尺由上下两个圆盘及一个透明的扇形片组成，圆盘及扇形片上均有刻度，分别标有视场角、被摄物体的水平及垂直尺寸、镜头的焦距、CCD芯片光敏面尺寸及被摄物体距CCD摄像机的距离等参数。具体使用这种镜头选择尺时，根据某个事先确定的已知量就可以计算出其它量。例如，要确定1/3inCCD摄像机在配用8mm镜头时的视场角及在离摄像机3m距离时被摄物体在监视器屏幕上所占面积的大小，可首先旋动扇形片使标有1/3in的CCD光敏面尺寸刻度线对准上圆盘上8mm的焦距刻度线，此时，扇形片上的H线即指明了该镜头的水平视场角约为330、V线则指明了镜头的垂直视场角度约为250，然后旋转下圆盘使物距刻度线对准3m，则扇形片上H线的下方对应的物体尺寸刻度线1.6即表明了1/3in的CCD摄像机在配用8mm镜头时，可以将3m远处1.6m宽的物体摄入监视器。当物距增加到5m时，摄入物体的宽度则可达到2.7m。该盘在使用时，也可以先选定物距及被摄物体大小，然后可从盘中估算出应配用镜头的焦距。2.3视角的计算其实计算很简单，它是用感光面（矩形）的对角线的长度为“底”，镜头的焦距为高，组成的等腰三角形，你去计算它的顶角就是视场角。

可是在摄相机一般都未给出准确的CCD（CMOS）的使用面积（长*宽）所以用此方法不好计算。但是一般都给出：“相当于35毫米胶片相机34.5-1449毫米[4：3]”这样的数据，你可直接用它来计算：我们知道35毫米胶片的对角线长为43.2mm，用它组成的等腰三角形就可以计算了。例如：

设：视场角为θ

则：tan(θ/2)=(43.2/2)/34.5=0.626

由此算出：θ=64度3放大倍数图1-33镜头选择计算尺镜头的放大倍数和视场范围取决于它的焦距长度和传感器的尺寸。人的眼睛的视场范围则相对固定。如果两套摄像系统所看到的画面尺寸完全相同，我们就认为两者具有相同的视场范围和放大倍数。在电视监控系统中，焦距长度和视场范围与人的眼睛的对应参数相同的镜头称为"标准镜头"，这种镜头的放大倍数为1。人的眼睛的焦距--从眼睛前部的晶状体中心到眼睛后部视网膜之间的距离--大约为17毫米。

大多数人的眼睛的视场范围和放大倍数都基本相同。有几种不同的配置可以实现1倍的放大倍数：25毫米镜头与1英寸摄像机配用；16毫米镜头与2/3英寸摄像机配用；12.5毫米镜头与1/2英寸摄像机配用；8毫米镜头与1/3英寸摄像机配用。与传感器配用的焦距较短的镜头称为广角镜头；焦距较长的镜头则被称为望远镜头或狭角镜头。装有望远镜头的摄像机就象望远镜一样，将画面放大，将视角缩窄，将被摄物体"拉近"，从而使观察者可以清楚地看到感兴趣的观察目标。广角镜头中的光学器件则使观察者可以看到更大的视场范围，同时将被摄物体"推远"。使用望远镜倒过来观看时，就可以看到这种"广角"效果。电视监控系统的放大倍数取决于两个因素：①镜头的焦距和摄像机传感器的尺寸；②监视器的尺寸。3.1摄像机传感器的放大倍数

摄像机的放大倍数只取决于镜头焦距和摄像机传感器的尺寸这两个因素。摄像机的传感器尺寸如表4所示，它是固定的，无法调节。因此，对于特定的摄像机来说，不管传感器平面上的光学图像有多大，摄像机只能看到传感器范围内的那部分。

我们所说的放大倍数是镜头与眼睛比较时的相对放大倍数。眼睛的焦距约为17mm，其放大倍数相当于与1英寸传感器配用的25mm镜头。这时，1英寸传感器的放大倍数为：M（1-英寸）=镜头焦距（mm）/25mm=f/25mm(1)所以，焦距为75mm的镜头在1英寸摄像机上的放大倍数为：M（1-英寸）=f/25mm=75mm/25mm=3对于2/3英寸的传感器，放大倍数按下式计算：M（2/3-英寸）=镜头焦距(mm)/16mm=f/16mm(2)对于1/2英寸的传感器，放大倍数按下式计算：M（1/2-英寸）=镜头焦距(mm)/12.5mm=f/12.5mm(3)对于1/3英寸的传感器，放大倍数按下式计算：M（1/3-英寸）=镜头焦距(mm)/8mm=f/8mm(4)由上可知，对所选定的CCD摄像机的传感器来说，其放大倍数只取决于镜头的焦距。3.2监视器的放大倍数当摄像机所摄图像显示在电视监控系统的监视器上时，场景会被进一步地放大。放大倍数等于监视器对角线（dm）与传感器对角线（ds）的比值，即M（监视器）=dm/ds(5)对对角线为9英寸的监视器（dm=9英寸）和1/2英寸的传感器（由表3知ds=8mm=0.31英寸），按公式（5）计算如下：M（监视器）=9/0.31=29这样，我们可算出电视监控系统的整体放大倍数M=M（传感器）×M（监视器）（6）例如，由25毫米镜头摄得而投到1/2英寸CCD上的图象显示在9英寸监视器上时，电视监控系统的整体放大倍数为M=25/12.5×29=58值得指出的是，尺寸较大的监视器虽然可以提高放大倍数，但不能用来增加画面中的信息量（那是由传感器的分辨率决定的）。大尺寸监视器的作用是允许操作员坐（站）得远一点，并便于多人观看。表4、摄像机传感器的尺寸名称水平尺寸（H）垂直尺寸（V）对角线尺寸（dS）毫米（mm）英寸（吋）毫米英寸毫米英寸1英寸12.80.509.60.38160.632/3英寸8.80.356.60.25110.431/2英寸6.40.254.80.1980.311/3英寸4.40.173.30.135.50.221/4英寸3.20.132.40.1040.161/6英寸2.20.091.70.072.750.114镜头与摄像机的接口镜头与摄像机的接口安装方式有C型安装和CS型安装两种。图2画出这两种镜头的接口部位示意图。其中上半部为CS型镜头，下半部为C型镜头。在电视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的距离是17.526mm。大多数摄像机的镜头接口则作成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，而将CS镜头安装到CS接口的摄像机时就不需接圈。在实际应用中，如果误对CS型镜头加装接圈后安装到CS接口摄像机上，会因为镜头的成像面不能落到摄像机的CCD光敏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的靶面的保护玻璃，造成CCD摄像机的损坏，这一点在实用中需特别注意。在实际应用中，如果误对CS型镜头加装接圈后安装到CS接口摄像机上，会因为镜头的成像面不能落到摄像机的CCD光敏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的靶面的保护玻璃，造成CCD摄像机的损坏，这一点在实用中需特别注意。5常用摄像机镜头的类型及其参数目前市场上应用较多的摄像机镜头大多为日本的产品：如AVENIR（精工）、COMPUTAR、YAMANO、TAMRON（腾龙）、RAINBOW（彩虹）和COSMICAR等。国产的镜头有福建光学仪器厂、公安部一所、长春市佶达光学电子仪器厂、大连光学仪器厂、兰州鑫泰光学有限公司等。5.1一般摄像机镜头的类型及参数由于各厂家生产的镜头的类型及参数大同小异，比较典型的有日本精工生产的摄像机镜头的各种类型及其参数，一般电视监控系统设计者手上都有，这里就不作介绍了。5.2单板式及微型摄像机小镜头的类型及其参数由于隐蔽式电视监控系统以及钻井与管道电视监视的需要，单板式与微型固态摄像机已大规模产业化，它们所需要的小光学镜头也越来越多样化。因此在这里也作一简单介绍。单板式与微型CCD与CMOS摄像机目前所用镜头都是小口径、固定焦距的简单形光学镜头，其通用接口为M12×0.5螺纹接口。典型的四种类型镜头的几何参数如图3所示。其光学镜头座一般固定在单板机或微型机上，镜头出厂时基本被调到对无穷远目标成清晰图象。只是在需要时镜头可借助有限的螺纹旋出，达到对有限距离目标成象。这种小型镜头的类型（对应图3中四种）及参数如表5所示。这