科普：镜头的参数指标概述

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镜头的参数指标

光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头，简称镜头，其功能就是光学成像。在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能；合理选择并安装光学镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。

1.镜头的相关参数

(1)焦距

焦距是光学镜头的重要参数，通常用f来表示。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。每个镜头上都标有最大F值，例如6mm/F1.4代表最大孔径为4.29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1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22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1/1.4，1/2，1/2.8，1/4，1/5.6，1/8，1/11，1/16，1/22，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。

(3)景深

摄影时向某景物调焦，在该景物的前后形成一个清晰区，这个清晰区称为全景深，简称景深。 决定景深的三个基本因素：

光圈: 光圈大小与景深成反比，光圈越大，景深越小。

焦距: 焦距长短与景深成反比，焦距越大，景深越小。

物距: 物距大小与景深成正比，物距越大，景深越大。

(4)光谱特性

光学镜头的光谱特性主要指光学镜头对各波段光线的透过率特性。在部分机器视觉应用系统中，要求图像的颜色应与成像目标的颜色具有较高的一致性。因此希望各波段透过光学镜头时，除在总强度上有一定损失外，其光谱组成并不发生改变。

影响光学镜头光谱特性的主要因素为：膜层的干涉特性和玻璃材料的吸收特性。在机器视觉系统中，为了充分利用镜头的分辨率，镜头的光谱特性应与使用条件相匹配。即：要求镜头最高分辨率的光线应与照明波长、CCD器件接受波长相匹配，并使光学镜头对该波长的光线透过率尽可能的提高。

(5)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，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＝180／画幅格式的高度。由于摄像头CCD靶面大小已经标准化，如1/2英寸摄像头，其靶面为宽6.4mm＊高4.8mm，1/3英寸摄象机为宽4.8mm＊高3.6mm。因此对1/2英寸格式的CCD靶面，镜头的最低分辨率应为38对线／mm，对1/3英寸格式摄像头，镜头的分辨率应大于50对线，摄像头的靶面越小，对镜头的分辨率越高。

(6) 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。

(7)镜头接口  

镜头和摄像头之间的接口有许多不同的类型，工业摄像头常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。

以镜头安装分类所有的摄像头镜头均是螺纹口的，CCD摄像头的镜头安装有两种工业标准，分别是C-mount 和 CS-mount。两者都有一个1英寸长的螺纹，但两者不同在于镜头安装到摄像头后，镜头到传感器之间的距离：

CS-mount： 图像传感器到镜头之间的距离应为12.5 mm

C-mount： 图像传感器到镜头之间的距离应为17.5 mm。一个5 mm的垫圈(C/CS 连接环) 可用于将C-mount 镜头转换为CS-mount 镜头

2.镜头各参数间的相互影响关系

(1)焦距大小的影响情况：

焦距越小，景深越大；

焦距越小，畸变越大；

焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低；　

　

(2)光圈大小的影响情况：

光圈越大，图像亮度越高；

光圈越大，景深越小；

光圈越大，分辨率越高；

　　

(3)像场中央与边缘:

一般像场中心较边缘分辨率高；

一般像场中心较边缘光场照度高；

(4)光波长度的影响：

在相同的摄像头及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。

3.镜头选购的硬性指标

1、镜头焦距：方案设计人员在考虑镜头指标时需要根据监控目标的位置、距离、CCD规格，以及监控目标在监视器上的图像效果等综合地来进行考虑，以选择最合适的焦距的镜头。比如，生产线监控，一般需要监看比较近的物体，而且对清晰度要求较高。这种情况，定焦镜头的效果一般要比变焦的好，所以通常会选择短焦距定焦镜头。

如2.8mm、4mm、6mm、8mm等。又如监控室内目标时，选择的焦距不会太大，一般会选择短焦距的手动变焦镜头，如3.0-8.2mm、2.7-12.5mm等;道路监控中，多车道监控要用焦距短一些的，如6-15mm;十字路口的红绿灯车牌监控要用相应长一些的焦距，如6-60mm;城市治安监控一般就要用到焦距更长一些的电动变焦镜头，如6-60mm、8-80mm、7.5-120mm等;高速公路、铁路、河道、环境检测、森林防火、机场、边海防等，一般要用到大变倍长焦距的电动变焦镜头，如10-220mm、13-280mm、10-330mm、15-500mm及10-1100mm等。

2、视场角范围：视场角范围计算是有公式的，知道镜头的焦距、CCD尺寸，视场角就可以推算出来。镜头有这样的规律：焦距越大，监控得越远，视场角就越小;焦距越小，监控距离就近，视场角就大，焦距和视场角是反比关系。如在一些有手动变焦镜头需求的项目中，视场角范围是最先需要考虑的，所以一般会根据视场角范围来确定所选焦距范围。电动变焦镜头因为是可以根据现场环境随时用键盘控制变焦、聚焦的，所以视场角范围不是太需要考虑。但是当电动变焦镜头的起始焦距过大(比如起始焦距超过20mm)时，是无法实现大范围监控的。

3、镜头的光圈：镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量(F=f/D)，以F标记。每个镜头上均标有其最大F值，F值越小，则光圈越大。对于恒定光照条件的环境，可以选用固定光圈的镜头，这种一般为实验室环境;对于光照度变化不明显的环境，常会选用手动光圈镜头，即将光圈调到一个比较理想的数值后固定下来就可以了;如果照度变化较大，需24小时的全天候室外监控，应选用自动光圈镜头。

自动光圈镜头分为两类：一类称为视频(VIDEO)驱动型，镜头本身包含放大器电路，采用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，可使输出图像变得明亮或者暗淡。但需注意的是，如果光照度一直是不均匀的，比如监控目标与背景光反差较大时，采用自动光圈镜头的话，光圈的电机可能会一直处于随时动作的状态，监控的效果并不理想，这种情况下，一般需要镜头配合摄像机的背光补偿功能来实现，采用宽动态的摄像机也会有比较不错的效果。

镜头的光圈开到最大的时候，它的解像力一般是最高的。

至于原因可以用一个比喻来说明：假设镜头有10000个小洞来透光的，光源A，成像为B，在最大光圈情况下，A透过10000个洞形成的B是由10000个像组成的;在小光圈下，镜头中只有100个小洞是开放的，所以B只有100个像组成;在中等光圈下，这个值大概是2000左右，所以这个时候解像力就远高于小光圈。但是为什么我们不一直用大光圈从而获得最佳的解像力呢?这就牵涉到镜头的另外一个指标--景深。当镜头对物体对焦时，在物体(聚焦点)前后若干距离内的物体，也会有比较清晰影像，景深即是这段前后比较清晰的距离范围。镜头的光圈和景深的大小成反比，大光圈的时候，几乎没有景深可言，得到的监控图像的背景将一片模糊。所以镜头的光圈并非是越大越好，还要看监控的环境。

4、镜头的成像圆尺寸：在监控项目中，与枪型摄像机匹配的镜头的成像圆口径一般为1/3英寸或1/2英寸。镜头的成像圆不应小于摄像机的CCD尺寸，否则将出现黑角。相同焦距不同口径的镜头匹配同样尺寸的摄像机时，监控到的物体的距离及得到的视场角是有差异的。如在1/2英寸CCD的摄象机中，标准镜头焦距大概为12mm时，有30度的视场角;而在1/3英寸CCD的摄象机中，标准镜头焦距在8mm左右即可拥有30度的视场角。

最后，还需要考虑镜头的接口类型，镜头接口与摄像机接口要一致。现在摄像机和镜头通常都是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转接环，否则可能碰坏CCD成像面的保护玻璃，造成CCD摄像机的损坏。C型摄像机不能和CS型镜头配接。

4、镜头选购的可选性指标

镜头可选性指标，如有AS非球面镜头、红外感应(IR)镜头、SD超低色散镜头、百万像素高清镜头、电动变焦AF自动聚焦镜头等。下面逐点进行论述。

1、AS非球面镜片

AS非球面技术大家都不陌生。改球面镜片为非球面镜片，从而将镜片边缘部最容易出现的球面像差纠正。体现在监控图像上，即改善广角时画面周边的成像质量;而且由于一片非球面可以抵得上数片球面镜片的作用，镜片数目的减少，也会减少色差，增加图像的对比度;并且镜头的长度将会有所减小，容易做出长度更短的镜头，但为了尽可能增大光亮度指标，镜头的口径一般不会变小，反而越大越好;再次，镜片数目的减少，光通过镜头时的损耗会小很多，也容易做出更大光通量的镜头，如F0.98。

2、IR日夜转化

IR日夜型镜头采用添加特殊元素的玻璃材料，提高了红外光波段的折射和聚焦率，使其更接近可见光的折射率水平，所以红外IR镜头可以做到白天和夜晚的共焦面，使监控画面全天候清晰。

3、SD超低色散镜片

SD超低色散镜片，由于玻璃中采用了特殊的材料，分为FK01和FK02两个等级，具有高折射低色散的特性，主要是针对可见光部分的光线，能使彩色图像鲜艳锐利。

4、百万像素高清镜头

百万像素本来是描述感光元件的像素数目的，现在被镜头厂商引伸出来加以利用了。

镜头本身没有像素概念，但镜头的解像力有好有差。有的镜头厂家用单位距离内表现的黑白线对数来表现镜头的解像力，以区分普通镜头和百万像素镜头，也不失为一种表现手法。解像力就是一个镜头对于细节捕捉解析度高低的评估，解像力高的镜头，对于线条点块记录较为细腻，对于色彩的微小变化也能忠实反映。

但这个特点却与锐度不是一回事，锐度一般指的是图形边缘的清晰程度，而解像力更多指的是层次而言。上文提过，同焦距条件下的定焦镜头成像一般要比变焦镜头好，好在哪里呢?定焦镜头解像力高，原因何在?就是因为镜头设计简单，用的镜片数量少，从而可以提高图像的对比度，减少色差等。应用AS非球面镜片、SD超低色散镜片同样可以提高镜头解像力。

目前市场上出现的手动变焦百万像素镜头价格要比普通镜头高出数倍，加上网络摄像机中CMOS本身的一些缺陷，数据流的增大导致的传输带宽不够，以及存储上的问题，目前还没有办法大规模普及百万像素。但百万像素系统在外界条件允许的情况下，得到的图像质量确实比模拟的图像质量高出很多，视频截取放大后仍然清晰地监控图像在协助公安部门侦破犯罪案件方面有着很大的潜力。

5、电动镜头AF自动聚焦技术

AF自动对焦镜头，通过镜头内置的微处理器，对摄像机给出的复合视频信号取样、对比，给出图像明暗度的转换电压，驱动聚焦电机扫描，扫描过程中的最高电压即聚焦点的目标。经过1-3秒的搜索响应时间，即可实现清晰聚焦。自动聚焦镜头为目前比较尖端的应用，匹配模拟摄像机及带有模拟和网络两种输出信号的百万像素网络摄像机都可以实现。对同时需要操控云台转向及变焦、聚焦的普通监控来说，自动聚焦镜头只需转动云台方向即可实现清晰监控，监控远处目标也只需拉大变焦按键即可实现，免去了繁琐的监控过程，真正实现了随心监控。

6、镜头穿尘透雾功能

穿尘透雾是安防行业近期比较流行的一种监控需求。可见光在通过空气中的烟尘或雾气时，会被阻挡反射而无法通过，所以只能接收可见光的人眼是看不到烟尘雾气后门的物体的。而近红外光线由于波长较长，可以绕过烟尘和雾气并穿透过去，并且摄像机的感光元件可以感应到这部分近红外光，所以就可以利用这部分光线来实现穿尘透雾的监控。