一、工業(yè)鏡頭的特點及分類
 

　　光學鏡頭一般稱為攝像鏡頭或攝影鏡頭，簡稱鏡頭，其功能就是光學成像。鏡頭是機器視覺系統(tǒng)中的重要組件，對成像質(zhì)量有著關鍵性的作用，它對成像質(zhì)量的幾個最主要指標都有影響，包括：分辨率、對比度、景深及各種像差。鏡頭不僅種類繁多，而且質(zhì)量差異也非常大，但一般用戶在進行系統(tǒng)設計時往往對鏡頭的選擇重視不夠，導致不能得到理想的圖像，甚至導致系統(tǒng)開發(fā)失敗。
 

　　工業(yè)鏡頭相當于人眼的晶狀體，如果沒有晶狀體，人眼看不到任何物體；如果沒有鏡頭，那么攝像頭所輸出的圖像；就是白茫茫的一片，沒有清晰的圖像輸出，這與我們家用攝像機和照相機的原理是一致的。當人眼的肌肉無法將晶狀體拉伸至正常位置時，也就是人們常說的近視眼，眼前的景物就變得模糊不清；攝像頭與鏡頭的配合也有類似現(xiàn)象，當圖像變得不清楚時，可以調(diào)整攝像頭的后焦點，改變CCD芯片與工業(yè)鏡頭基準面的距離(相當于調(diào)整人眼晶狀體的位置)，可以將模糊的圖像變得清晰。由此可見，鏡頭在閉路監(jiān)控系統(tǒng)中的作用是非常重要的。工程設計人員和施工人員都要經(jīng)常與鏡頭打交道：設計人員要根據(jù)物距、成像大小計算鏡頭焦距，施工人員經(jīng)常進行現(xiàn)場調(diào)試，其中一部分就是把鏡頭調(diào)整到狀態(tài)。
 

　　1、工業(yè)鏡頭的安裝尺寸，接口
 

　　所有的攝像機鏡頭均是螺紋口的，CCD攝像機的鏡頭安裝有兩種工業(yè)標準，即C安裝座和CS安裝座。兩者螺紋部分相同，但兩者從鏡頭到感光表面的距離不同。
 

　　C安裝座：從鏡頭安裝基準面到焦點的距離是17.526mm。
 

　　CS安裝座：特種C安裝，此時應將攝像機前部的墊圈取下再安裝鏡頭。其鏡頭安裝基準面到焦點的距離是12.5mm。如果要將一個C安裝座鏡頭安裝到一個CS安裝座攝像機上時，則需要加裝一個5mm厚的接圈。
 

　　2、鏡頭的尺寸
 

　　以攝像機鏡頭尺寸分鏡頭可以分為1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸等規(guī)格，下面是一個簡單的芯片尺寸規(guī)格表：
 

　　攝像機鏡頭規(guī)格應視攝像機的CCD尺寸而定，兩者應相對應。大概：
 

　　★攝像機的CCD靶面大小為1/2英寸時，鏡頭應選1/2英寸。
 

　　★攝像機的CCD靶面大小為1/3英寸時，鏡頭應選1/3英寸。
 

　　★攝像機的CCD靶面大小為1/4英寸時，鏡頭應選1/4英寸。
 

　　如果鏡頭尺寸比攝像機CCD靶面尺寸大時，將使圖像視野比鏡頭視野小，即不能很好地利用鏡頭的視野；如果鏡頭尺寸比攝像機CCD靶面尺寸小時，將發(fā)生“隧道效應”，即圖像有圓形的黑框，像在隧道里拍的一樣。
 

　　監(jiān)控相機一般都比較小，甚至小于1/3英寸；工業(yè)相機稍微大一些，一般1/2英寸到1英寸不等；傳統(tǒng)的135相機底片比當前的一般感光芯片都大，36mm×24mm(1.4英寸×0.9英寸)，畫面對角線長度為43mm(1.7英寸)，即是1.7英寸的，120中幅相機，其感光面尺寸有三種：45×60mm、60×60mm和90×60mm，可見畫幅更大。
 

　　3、鏡頭的光圈，F(xiàn)值
 

　　光圈的主要作用是通過控制鏡頭光量的大小滿足成像所需的合適照度。光圈越大，靶面成像照度越大，攝像機輸出信號強度越大，信噪比越高。
 

　　可以理解，通光孔徑越大，通過的光量越大；但我們關心的是到達芯片的光量，而焦距越長，意味著芯片離鏡頭中心越遠，相應的光就越弱，所以，標準光圈大小的參數(shù)應該與兩個變量有關，孔徑，焦距。
 

　　光圈系數(shù)，即F值即是用來表征光圈的大小的參數(shù)。它等于鏡頭焦距f和通光孔徑D之比。光通量與F值的平方成反比關系，F(xiàn)值越小，光通量越大。F值的規(guī)律是后一個值正好是前一個數(shù)值的√2倍，所以，光圈調(diào)大一擋，光量減少2倍。常用值為1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等幾個等級。
 

　　一般光圈都可以調(diào)節(jié)，從而有手動光圈和自動光圈之分。
 

　　手動光圈工業(yè)鏡頭是的簡單的工業(yè)鏡頭，適用于光照條件相對穩(wěn)定的條件下，手動光圈由數(shù)片金屬薄片構成。光通量靠鏡頭外徑上的—個環(huán)調(diào)節(jié)。旋轉此圈可使光圈收小或放大。在照明條件變化大的環(huán)境中或不是用來監(jiān)視某個固定目標，應采用自動光圈工業(yè)鏡頭，比如在戶外或人工照明經(jīng)常開關的地方，自動光圈鏡頭的光圈的動作由馬達驅動，馬達受控于攝像機的視頻信號。
 

　　自動光圈工業(yè)鏡頭又有兩類：一類是將一個視頻信號及電源從攝像機輸送到透鏡來控制鏡頭上的光圈，鏡頭本身包含放大器電路，用以將攝像頭傳來的視頻幅度信號轉換成對光圈馬達的控制，這稱為視頻(VIDEO)驅動型；另一類則利用攝像機上的直流電壓來直接控制光圈，稱為直流(DC)驅動型，這種鏡頭只包含電流計式光圈馬達，要求攝像頭內(nèi)有放大器電路。
 

　　對于各類自動光圈工業(yè)鏡頭，通常還有兩項可調(diào)整旋鈕，一是ALC調(diào)節(jié)(測光調(diào)節(jié))，有以峰值測光和根據(jù)目標發(fā)光條件平均測光兩種選擇，一般取平均測光檔；另一個是LEVEL調(diào)節(jié)(靈敏度)，可將輸出圖像變得明亮或者暗淡。
 

　　4、工業(yè)鏡頭的視角，焦距
 

　　焦距的大小決定著視場角的大小，焦距數(shù)值小，視場角大，所觀察的范圍也大，但距離遠的物體分辨不很清楚；焦距數(shù)值大，視場角小，觀察范圍小，只要焦距選擇合適，即便距離很遠的物體也可以看得清清楚楚。由于焦距和視場角是一一對應的，一個確定的焦距就意味著一個確定的視場角，所以在選擇鏡頭焦距時，應該充分考慮是觀測細節(jié)重要，還是有一個大的觀測范圍重要，如果要看細節(jié)，就選擇長焦距鏡頭；如果看近距離大場面，就選擇小焦距的廣角鏡頭。
 

　　圖片
 

　　1)焦距的計算：
 

　　鏡頭的焦距，視場大小及鏡頭到被攝取物體的距離的計算如下：
 

　　f=wL/W
 

　　f：鏡頭焦距
 

　　w：圖象的寬度(被攝物體在ccd靶面上成象寬度)
 

　　W：被攝物體寬度
 

　　L：被攝物體至鏡頭的距離
 

　　高度可以類比。
 

　　2)視場角的計算：
 

　　tg(ωH/2)=h/2f=W/Ltg(ωV/2)=v/2f=H/L
 

　　ωH：水平視場角
 

　　ωV：垂直視場角
 

　　f：鏡頭的焦距
 

　　h：攝像機靶面的水平寬度
 

　　v：攝像機靶面的垂直高度
 

　　W：最大可見物體寬度的一半
 

　　H：最大可見物體高度的一半
 

　　L：被攝物體至鏡頭的距離
 

　　垂直視角可以類比。
 

　　3)鏡頭按視角分類
 

　　鏡頭按視角分可以分為：
 

　　標準鏡頭：視角30度左右，在1/2英寸CCD攝象機中，標準鏡頭焦距定為12mm，在1/3英寸CCD攝像機中，標準鏡頭焦距定為8mm。只所以稱30度視角的鏡頭是標準鏡頭是因為人眼的有效視角大概是30度。
 

　　廣角鏡頭：視角90度以上，焦距可小于幾毫米，可提供較寬廣的視景。
 

　　遠攝鏡頭：視角20度以內(nèi)，焦距可達幾米甚至幾十米，此鏡頭可在遠距離情況下將拍攝的物體影響放大，但使觀察范圍變小。
 

　　4)鏡頭按焦距分類
 

　　鏡頭從焦距上分為：
 

　　短焦距鏡頭：因入射角較寬，可提供一個較寬廣的視野。
 

　　中焦距鏡頭：標準鏡頭，焦距的長度視CCD的尺寸而定。
 

　　長焦距鏡頭：因入射角較狹窄，故僅能提供狹窄視景，適用于長距離監(jiān)視。
 

　　按焦距分類和按視角分類是對應的。
 

　　5)定焦鏡頭和變焦鏡頭
 

　　有些鏡頭的焦點是固定的，而有些鏡頭的焦點是可變的，這分別稱為定焦鏡頭和變焦鏡頭。
 

　　變焦鏡頭也常被成為變倍鏡頭，它的焦距連續(xù)可變，即可將遠距離物體放大，同時又可提供一個寬廣視景，使監(jiān)視范圍增加。變焦鏡頭有手動伸縮鏡頭和自動伸縮鏡頭兩大類。典型的光學放大規(guī)格有6倍(6.0-36mm，F(xiàn)1.2)、8倍(4.5-36mm，F(xiàn)1.6)、10倍(8.0-80mm，F(xiàn)1.2)、12倍(6.0-72mm，F(xiàn)1.2)、20倍(10-200mm，F(xiàn)1.2)等檔次，并以電動伸縮鏡頭應用普遍。
 

　　5、鏡頭的分辨率
 

　　描述鏡頭成像質(zhì)量的內(nèi)在指標是鏡頭的光學傳遞函數(shù)與畸變，但對用戶而言，需要了解的僅僅是鏡頭的空間分辨率，以每毫米能夠分辨的黑白條紋數(shù)為計量單位。
 

　　6、特殊鏡頭
 

　　在特殊的安全鏡頭族群中，值得一提的品種包括光纖鏡頭、管道鏡頭、分像鏡頭、拐角鏡頭、中繼鏡頭、自動聚焦鏡頭、安定鏡頭和長程鏡頭。這些鏡頭各有所長，可以實現(xiàn)普通鏡頭所無法完成的特殊功能。
 

　　1)光纖鏡頭和管道鏡頭
 

　　設計難度較大的監(jiān)控系統(tǒng)中往往需要使用粘連光纖束鏡頭。與通常用于視頻信號傳輸?shù)膯文９饫w和多模光纖不同，這種光纖束是由上千根單獨的玻璃光纖粘連在一起組成的。它可以將物鏡得到的光學圖像傳輸?shù)绞畮桌迕椎綆酌走h的地方。中繼鏡頭從光纖束處理到圖像后，再將其傳送到攝像機的傳感器上。通過光纖鏡頭取得的畫面，其質(zhì)量不如通過普通鏡頭取得的畫面好。因此，這種鏡頭只能用在普通鏡頭無法解決問題的場合。光纖鏡頭分為剛性和柔性兩種。
 

　　高分辨率(450線)的粘連光纖束中有幾萬根玻璃纖維，光學圖像就是通過這些纖維從一端傳輸?shù)搅硪欢?，每根光纖在光纖束兩端的幾何陣列中所處的位置*相同。完整的“光纖鏡頭”除了包括這個光纖束外，還需要在前面加裝成像用的物鏡，在后端加裝傳遞圖像用的中繼鏡頭(以便圖像會聚到傳感器上)。光纖鏡頭通常用于穿過厚墻對隔壁房間的監(jiān)視，有時也用在必須將攝像機與鏡頭分開一端距離的場合。另一種常用的長距離采光鏡頭是管道(borescope)鏡頭。管道鏡頭由直徑為0.04～0.5英寸、長6～30英寸的通光管、桿狀鏡頭和多聯(lián)式中繼鏡頭共同組成。中間的鏡頭用于將物鏡形成的光學圖像傳送給后面的鏡頭，進而傳送到攝像機傳感器上。單桿鏡頭使用的是*的GRIN(gradedindex，漸變折射率)玻璃桿，光學圖像在通過它之間能夠重新聚焦。由于桿和鏡頭的直徑都很小，只有少量的光線能透入攝像機內(nèi)部，因此這種系統(tǒng)的光學速度較慢，通常為f/11和f/30。這一特性使得管道鏡頭只能與光線充足的場景和高靈敏度的攝像機配用。因為管道鏡頭中使用的都是玻璃透鏡，它的圖像質(zhì)量比光纖鏡頭要好一些。
 

　　2)分像鏡頭
 

　　能夠將兩個單獨場景同時成像的同一攝像機上的鏡頭稱作分像鏡頭或雙焦鏡頭。這種鏡頭使用兩個分開的透鏡或雙焦鏡頭。這種鏡頭使用兩個分開的透鏡獲取兩個場景的圖像后，再將其投射到攝像機的傳感器上，其中的兩個透鏡焦距可能相同，也可能不同；可能朝向同一方向，也可能朝向不同的方向。
 

　　分像鏡頭的轉接器可以起到同樣的作用。除了用于連接攝像機的接口外，轉接器上還有兩個C型接口或CS接口，可以連接兩個普通鏡頭，從而實現(xiàn)“一機兩景”。根據(jù)雙焦鏡頭設計的不同，最后得到的雙景圖像可以是左右分割的，也可以是上下分割的。所以定焦鏡頭、變焦鏡頭、針孔鏡頭或其它鏡頭，只要其接口是C型或CS型的，就都可以用到這種轉換器上。側鏡位置安裝的可調(diào)式反射鏡可以改變鏡頭觀察的方向。在側鏡旁邊再加裝一只反射鏡，就可以讓兩中鏡頭對準同一場景。在這種情況下，如果前鏡使用廣角鏡頭(6.5mm)，側鏡使用狹角鏡頭(75mm)，就構成一個雙焦鏡頭，與之相連的攝像機可以同時看到同一場景的廣角和狹角的圖像。在左右分割時，每個鏡頭的水平視場都變?yōu)檎Ｇ闆r下的1/2(每個鏡頭只能使用傳感器的一半寬度)。將分像鏡頭旋轉90°，可以得到上下分割的圖像。雙焦鏡頭在監(jiān)視器上形成的圖像是倒轉的，因此需要將攝像機倒轉過來安裝。
 

　　三向光學分像鏡頭可以同時觀察三個不同的場景。三分鏡頭主要用于觀察丁字型走廊，但是也可以作其它用途。使用三分鏡頭，可以同時觀察三個不同的場景(放大倍數(shù)可以相同，也可以不同)，而這三個場景是顯示在同一監(jiān)視器上。這樣，我們就節(jié)省了兩只攝像機、兩臺監(jiān)視器和一只畫面分割器。每個場景占據(jù)在監(jiān)視器屏幕的1/3面積。鏡頭上的可調(diào)光學器件允許分別調(diào)節(jié)三個物鏡的仰角，以適用長短不同的走廊需要(長走廊鏡頭接近水平，短走廊需要鏡頭略下)。與雙分鏡頭一樣，攝像機也要倒轉安裝。
 

　　3)拐角鏡頭
 

　　拐角鏡頭使得攝像機可以做貼墻式的安裝，即攝像機與軸線與墻面相平行。
 

　　在墻壁后面的空間比較有限的場合，像柜員機、天花板或升降機內(nèi)，拐角鏡頭將會是一個很好的解決方案。拐角光學鏡頭使得2.6mm鏡頭的軸線變得與攝像機的軸線相垂直，因為2.6mm鏡頭的視場可以達到110°，所以使用反光鏡來解決這個問題將是不可能的。因為平面反射鏡無法將全部場景反射到攝像機鏡頭上。這種黑邊(vignitting)現(xiàn)象將使得我們無法在監(jiān)視器上看到場景的部分邊緣。
 

　　拐角轉接器可以套接所有焦距的鏡頭，但鏡頭必須帶有C型或CS型的接口。
 

　　4)中繼鏡頭
 

　　中繼鏡頭用來將鏡頭或粘連光纖束聚焦的光學圖像傳送到攝像機傳感器上。這種鏡頭必須與其它物鏡一起使用，其自身不能成像。在與光纖鏡頭配用時，它將光纖束輸出端上面的圖像投射到傳感器上。與分像鏡頭或拐角鏡頭配用時，它也可以將雙景圖像或改向的圖像投射到傳感器上。中繼鏡頭可以被看作是一個沒有放大倍數(shù)的附加鏡頭，在與普通鏡頭配用時，它的主要作用是使得鏡頭和傳感器之間的距離適當增大。
 

　　5)自動聚焦鏡頭
 

　　自動聚焦鏡頭在安全方面的應用相當有限，這是因為它的價格比普通的手動調(diào)焦鏡頭要昂貴。自動聚焦鏡頭主要用于便攜式家用攝錄機。這種機器所使用的鏡頭都是變焦鏡頭。
 

　　自動聚焦技術共有三種：主動紅外測距、超聲波定位和固態(tài)三角測量
 

　　主動紅外自動聚焦使用的是三角測量原理。鏡頭中有一個發(fā)光二極管，可以向變焦鏡頭場景中心區(qū)域發(fā)射一小束紅外線。接收透鏡將反射回來的紅外光投射到鏡頭旁的兩個硅探頭上。鏡頭內(nèi)的微處理器電路再根據(jù)鏡頭聚焦環(huán)的物理位置和CCD傳感器上得來的數(shù)據(jù)計算出目標與攝像機之間的距離。之后，微處理器電路會控制變焦鏡頭上的電動聚焦環(huán)，使中心目標清晰地聚焦在傳感器上。
 

　　自動聚焦鏡頭不能適用于所有的工作場合。如果目標不反射紅外光，或目標將所有紅外光都反射到了其它方向，從而致使攝像機接收不到回光，或目標超出了系統(tǒng)的工作范圍，都將無法觸發(fā)系統(tǒng)的自動聚焦功能。
 

　　6)安全鏡頭
 

　　在安全系統(tǒng)中，當鏡頭和攝像機在觀察場景時晃動或震動時，就需要使用安定鏡頭。安定鏡頭廣泛應用在手提式攝錄機、車載攝像機、空中平臺攝像機和船載攝像機系統(tǒng)中。安定鏡頭可以抵消攝像機因風吹而引起的嚴重晃動。這種鏡頭系統(tǒng)內(nèi)部設有活動光學器件，并通過這種器件的反向移動來抵消攝像機和場景之間相對移動。
 

　　二、民用鏡頭的分類及特點
 

　　1、鏡頭一般按照焦距大小分類：
 

　　魚眼鏡頭；微距鏡頭；廣角鏡頭；標準鏡頭；長焦鏡頭；超長焦鏡頭；變焦鏡頭等；
 

　　標準鏡頭：拍攝風景及人物都可以，介于廣角與長焦之間；
 

　　長焦鏡頭：拍攝遠處人物特寫及遠處物體，如體育比賽；
 

　　廣角鏡頭：拍攝風景及大場面焦距無限遠；
 

　　魚眼鏡頭：視角180度，畸變大，特殊用途；
 

　　微距鏡頭：拍攝較小物體近距離拍攝如小螞蟻等；
 

　　超長焦鏡頭：可以拍攝月亮及星星；
 

　　變焦鏡頭：焦距可以根據(jù)拍攝物體改變的鏡頭，可以拍出運動效果。
 

　　三、工業(yè)鏡頭和民用鏡頭的區(qū)別
 

　　1、清晰度不同
 

　　鏡頭在成像面中心的分辨率是高的，在邊緣的差之。普通鏡頭在中心分辨率可以基本滿足清晰度的同時，邊緣的清晰度降低很多，總體清晰度可滿足普通攝像機44萬像素的要求。決定鏡頭清晰度的關鍵因素有三個：
 

　　1)鏡片材質(zhì)和純度。鏡片的雜質(zhì)越少，其產(chǎn)生的干擾光線越少，畫面清晰度更高；
 

　　2)鏡片的研磨精度。鏡片的研磨精度有研磨設備決定，目前國內(nèi)鏡頭較國外鏡頭的差異就幾種的這點上；
 

　　3)鏡片的鍍膜精度。對鍍膜工藝的準確控制也是鏡頭清晰度的決定因素之一。另外百萬像素鏡頭采用非球面鏡片，可減低像差，在相對于普通鏡頭提高清晰度的同時做到了小型化的設計；通過特殊的光學設計技術，從圖像中心到周邊部分的畫質(zhì)實現(xiàn)高解像力、高對比度的畫面，比傳統(tǒng)鏡頭提高了大約2.5倍以上的解像力，即使是在圖像剪切或放大功能時，依然能保證高畫質(zhì)。
 

　　2、光譜透射能力不同
 

　　鏡頭的光譜透射能力也有助于畫面清晰度的提高。寬頻率光線的透射，將大大提高攝像機靶面的受光量。可增強畫面的對比度和亮度，對畫面的細節(jié)表現(xiàn)更豐富。
 

　　3、光譜矯正能力不同
 

　　只有寬光譜的透射能力對于高清晰成像還遠遠不夠，如果鏡頭的光譜矯正能力不足，反而將使部分波長的光不能準確的在攝像機靶面上成像，致使虛像的產(chǎn)生。這種技術是普通鏡片通過鍍膜無法實現(xiàn)的。KOWA采用ED(超低色散)鏡片，可以很好的解決此問題。例如KOWA的LMZ0812AMPDC-IR就是一款對應300萬像素紅外無偏焦鏡頭，可以將可見光和非可見光同時準確的在攝像機靶面上成像，得到高清的畫面效果。