安防摄像机镜头简介.

安防摄像机镜头相关知识镜头的参数•成像尺寸•焦距•光圈•视场角成像尺寸•镜头一般可以分为25.4mm（1in）、16.9mm(2/3in)、12.7mm(1/2in)、8.47mm(1/3in)、6.35mm(2/3in)。•选镜头时，镜头成像尺寸应与摄像机的靶面尺寸大小相吻合。当镜头成像尺寸比摄像机靶面小时，成像的画面会出现黑角。大时不会影响成像。光圈Aperture•光圈先決使用的符號『A』就是這個英文字的縮寫！大多數的鏡頭光圈是一組內建在鏡頭之中可以活動的葉片，葉片組合有2、4、6、7片等，視相機的性能不同而有所改變。透過這些葉片開閉的大小，就可以控制光線透過鏡頭進入相機內光量多寡。光圈与镜头的关系如下图所示。光圈的直径d使镜头实际有效孔径变D（又称入射光瞳），d越大，D也越大，则光通量越大。综合上述两方面因素，可以的到像平面照度E与（D/f）的平方成正比即E∝(D/f)2（3—4）D/f——称为透镜的相对孔径。由于一般情况下fD,所以习惯上用D/f的倒数f/D来标记光圈大小，称为光圈指数F。则有E∝(D/f)2∝1/F2（3—5）上式说明F值越小（光圈越大），透光能力越强。其中：F标值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等序列值，每相邻两个数值中，后一个是前一个数值的倍。2焦距的测量与计算•根据被摄物体大小，离镜头中心的距离（物距），CCD的靶面尺寸来确定。f=hD/H或者f=vD/VD为镜头中心到被摄物体的距离，H和V分别是物体的水平尺寸和垂直尺寸，v和h分别为CCD靶面的垂直尺寸和水平尺寸。焦距与景深光学镜头能把景物空间中一定范围内的物体，在像平面上都形成较清晰的像，这个范围所对应的“空间深度”称为景深，如下图中的△S.图中△S=△S1+△S2，△S1—前景深，△S2—后景深。当物距S一定，D为一定值时，f越小（短焦距），景深△S越大；f越大（长焦距），景深越小。又知，△S与S2成正比，既物越远，景深越大。还有，当f不变、S不变时，D越小（光圈越小，F数值大），景深越大。镜头视场角•镜头视场角与镜头焦距及摄像机靶面有关。镜头的焦距越短，视场角越大或者摄像机CCD靶面尺寸越小，其视场角也越大。镜头设计的基本构思利用不同類型的玻璃所產生的特定的折射率和色散率（DispersivePower），讓光線偏向並集中強度和大小，成為鏡頭設計的最基本理論。折射率•折射率（RI）是指玻璃折射光線的能力，折射率越高，斜射進入玻璃的光線沿人射方向偏折得越嚴重•常用光學折射率：真空無1.00000；水H2O1.33333；熔石英SiO21.45843；螢石CaF21.43381；鉀玻璃K61.51110；重鉀玻璃；ZK61.61263；鋇玻璃BaK21.53988；含氟玻璃F11.60328；鋇氟玻璃BaF81.62590；光學玻璃ZF11.64752；鑽石C2.41923色散率•玻璃的『色散率』是指紅、藍色光折射率之間的差異，差異越大，自然陽白光被分離成為的彩色光譜帶就會越寬，類似三棱鏡或小雨滴將日光色散為彩虹一樣。由於被攝物體往往不是單一顏色，加上人造的各種混合波長照明光具的生產與使用。人眼所見到的物體色彩，不一定能100％的在底片或是CCD上表現出來，特別是光線本身再被鏡頭玻璃分色的話，色偏會更加嚴重。因此，色散性能也是考驗攝影鏡頭玻璃的一項重要指標。透镜的问题•理論上，透鏡雖然可以有效的集中光線，理想化的完美鏡片至今尚未被設計成功，主要的問題在於實際生產時，限於材料和條件因素，製造出來的光學鏡片並不能達到完全理想的狀態，多少存在偏差(Aberration)現象。一般球面鏡片的像差，可以分成下述的五種﹕•球面像差•像場彎曲•慧星像差•桶狀和枕狀形變•像散主要是單一波長的單色光線來對鏡片進行測試所產生的结果。球面像差凸透镜孔径较大时，从轴上物点P发出的单色光束。通过透镜时，由于凸透镜的边缘部分比中心部分弯曲的厉害些，所以通过边缘部分的光线比近轴光线折射的严重，致使边缘部分的光线含聚于焦点F之前的F的点，因此在焦点处形成了一个中心亮、边缘模糊的小图盘，而不是很清晰的小亮点，这样的像差称为球差。校正方法：要消除這種像差，可以收小鏡頭的光圈，大口徑的鏡頭則改用非球面鏡。像场弯曲•平面的景物在焦點成像時，透過彎曲鏡片將光線扭曲，造成像面不是平面，這種現像便叫做像面彎曲。也就是說，結下的影像，如果對焦在中間的話，則周邊不清楚，對焦在周邊則中間不清楚。•校正方法：必須依靠修正鏡片的像散來改變整體的成像。像散•在離光軸的某一點處結下點狀的影像時，相對於光軸的同心圓像面按放射狀方向分開的話，點不在點內，變成線狀或橢圓狀的結像，這種現象便叫做像散。一般鏡頭光圈大小不同對像散有一定影響。桶狀和枕狀形變•平面的四方形測試圖在拍攝後，影像與原來的樣子不相同，便叫做影像形變。形變像差分為枕狀及桶狀兩種。發生的成因為離軸光束與中心軸形成的角度太大，會將方形的影像拉長成彎曲的枕形。反之當角度太小時，則會變成桶形。慧差（Comaaberration）•慧差：慧差是轴外物点以宽光束成像时光束失去对称性而形成的像差。它使轴外像点变成彗星状弥散斑，严正破坏了像的清晰度。因此，任何一个具有一定大小孔径的光学系统都必须很好的校正慧差。色像差•自然光如陽光或其他混合色光，會因為波長不同，鏡片折射率不一樣，引起色像差。色像差主要產生於凸面鏡的聚焦效果，發生在影像遠離中心之四周範圍，主要顏色因光線的扭曲而無法疊合，在一起可以透過凹面鏡加以分散修正。主要分为两种：•光軸的色像差•倍率的色像差光軸的色像差•鏡片本身的材質影響進入鏡片的光線，並造成各種顏色的色光折射率不同，讓藍色光系在離焦點較近處成像，紅色系則在較遠處。如红外光对摄像机成像影响等。倍率的色像差•倍率色像差，發生在鏡片相互修正上，當凹面鏡補償了焦點位置的光軸色像差之後，整體產生的色光仍然不能一致。這是因為色光的波長不同，焦距亦不一樣，所以產生的影像的倍率便因顏色而異，影像的大小會產生色偏移。镜头出现紫边的成因说法•鏡頭：色散Chromaticaberration•CCD錯誤Sensoreffects:ChromaticaberrationineachCCDcell(microlenses)•數位影像雜訊Digitalnoiseindarkareas•色彩插值運算問題Imageprocessingandinterpolationartifacts(SIGMA3CCDSA系列DSLR除外)•環境紫外線影響Strayultravioletlight•環境紅外線影響Strayinfraredlight•邊緣過度曝光影響Imagebloomfromoverexposure•CCD電荷外洩VoltageleaksbetweencellsoftheCCD色像差的校正•通过凹透鏡与凸透镜的互補来解决色像差。镜头的镀膜•任何物體對光線都有反射作用，連無色透明的玻璃也不例外，差別在於光線的角度是否會形成反射效果。對於理想狀態下的鏡片而言，光線能夠完全透過鏡頭，並正確的在底片或CCD上完全聚焦。然而，事實上卻是，每一種鏡片都受到自身物理因素的限制，導致像差的產生，所以，由眾多有『問題』的鏡片所結合而成的鏡頭是不可能讓理論上所有各種角度的光線完全穿過。以氧化鑭光學玻璃為例子，其透光率可達到90%以上，剩下的10%則會反射出去，形成炫光。為了彌補這項缺失，後來的鏡片研究者開發了在透鏡表面鍍上一層膜來增加透光效果。•圖左：鏡頭炫光下造成畫面的影響；圖右：鏡片前塗佈鍍膜減少炫光的產生也強化了畫面的明亮度鍍膜的色彩•透過鏡片的光線越多，反光則越弱。不鍍膜的鏡頭，其鏡片的透光率比較低，鏡片表面的反光比較嚴重，對光譜中的各種光線都有較強的反射，因此反光的綜合色為白光；SC單層鍍膜的鏡頭，其鏡片表面的反光較弱，大大增加光譜中部的黃綠光的透過率，只有光譜兩端的紅光和藍光才被反射，因此反光一般呈淡藍紫色；SMC多層鍍膜的鏡頭，其鏡頭的透光率極高，鏡片表面的直接反光很弱，需要蓋上鏡頭尾蓋，正對著鏡片玻璃逆光觀看，從鏡片的側面觀察才可以看到彩色的反光，這種反光依不同廠家的鍍膜特性可分為深紅（增透藍光）、深藍（增透紅光）、深黃（增透藍綠光）和深綠色等。其中深綠色的鍍膜可以同時增加光譜兩端的藍光和紅光的透過率，只有光譜中部的黃綠色光才被反射回來，因此這種增透膜的透過率曲線有紅、藍兩個增峰值，有效的沿廣色域。考量到如果所有的鏡片都鍍上同一種增透膜，則這個鏡頭必定會發生偏色。因此，每一個鏡頭的不同鏡片，都必須根據鏡片所用的材質及其對不同色光的吸收程度，分別鍍上不同特性的增透膜，相互搭配起來，才能使鏡頭總和的透光率增加，又能使鏡頭對色光的透過率達到平衡。非球面镜头（Asphericlens）•常用的普通摄像镜头为球面镜头，它采用的是球面镜片，而不是平面。一般球面镜片会出现像差，如球差、色差、彗差等，因而实际的摄像镜头通常需要多片凹凸程度不同的镜片，进行分组组合来予以校正。•非球面镜头（AsphericalLens）所用的镜片为非球面镜片，其面形也是在球面面形的基础上做细微的调整得出的，通过精确的设计计算，由精密仪器光学研磨而成。因此，一片非球面镜片就能实现多个球面镜片校正像差的效果。优点：非球面镜头可以有效地减少镜片的数量，从而也就减小了镜头的体积和重量，并使透光性更好，色差还原准确、成像质量变佳。非球面镜头的原理IR镜头•红外镜头即IR镜头，它采用了特殊的光学玻璃材料，并用最新的光学设计方法，从而消除了可见光和红外光的焦面偏移，因此从可见光到红外光区的光线都可以在同一个焦面位置成像，使图像都能清晰。此外，红外镜头还采用了特殊的多层镀膜技术，以增加对红外光线的透过率，所以用IR镜头的摄像机比用普通镜头的摄像机夜晚监控的距离远。谢谢！