安防监控镜头及其使用ppp.doc

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1、安防监控镜头及其使用文/中国传媒大学信息工程学院教授杨磊一、光学成像原理将各种不同形状、不同介质（塑料、玻璃或晶体）的光学零件（反射镜、透射镜及棱镜）按一定方式组合起来，使得由物空间的物体发出的光线经过这些光学零件的透射（折射）或反射以后，能按照人们的需要改变光线的传播方向，射出光学系统而为接收器件所接收，即完成了物体的光学成像过程。1.理想光学系统的物像关系理想光组具有三个基本性质：（1）点成点像对于物空间的任何一个点，在像空间必有一个点与之对应，而且只有一个点与之对应。通常把这两个对应点称为共轭点。（2）线成线像对于物空间的任何一条直线，在像空间必有一条直线与之对应，而且只有一条直线与之

2、对应。通常把这两条对应线称为共轭线。（3）对称轴共轭物空间和像空间存在着唯一的共轭对称轴。当物空间内某点A绕该空间内的对称轴旋转任意一个角度θ时，它的共轭像点A’也必绕像空间的对称轴旋转同样一个角度θ。通常把这一对共轭的对称轴称为光轴。a）凸透镜成像b）凹透镜成（1）若A、B两点分别与A’、B’共轭，则直线AB必与直线A’B’共轭。（2）同心光束经理想光组变换后，仍为同心光束。（3）物空间的任何一个平面经理想光组变换后，在像空间的共轭图像也必为一个平面。（4）若物空间内的平面垂直于光轴，则其共轭像平面也必垂直于光轴。（5）理想光组一对共轭面的横向放大率等于一个常数，该常数与物高无关。焦点、焦

3、面、主点、主面焦距主点到焦点的距离称为焦距。其中物方主点H到物方焦点F之间的距离称为物方焦距，记为f；自像方主点H’到像方焦点F’之间的距离称为像方焦距，记为f’。焦距f和f’均为代数量，分别以主点H、H’为起算点计算到焦点F及F’，以光线传播（从左向右）方向为正，从右向左为负，如图所示，f值为负，f’值为正。理想光学系统作图求像示意图牛顿公式高斯公式在实际应用中，镜头是放在空气中的，物空间的折射率等于像空间的折射率，则此时的物方焦距f等于像方焦距f’。牛顿公式高斯公式2.光学系统中光束限制及系统分辨率限制光束的因素：光阑、渐晕、焦深、景深。　　（1）光阑　　实际光学系统，只可能在一定空间和

4、一定光束孔径范围内构成满意的物体像。因此，必须在光学系统中采用光阑，以限制成像空间和光束孔径。光阑的作用是：改善系统成像质量；决定通过系统的光能；拦截系统中有害的杂散光等。光阑通常由光学零件的镜框或加入专门的带孔金属板等构成，其对称中心一般都在系统的光轴上。光阑按用途可分为：有效光阑、视场光阑及消杂光光阑等。　　视场光阑：用以限制系统的成像范围。它对前方系统所成的像叫入射窗，对后方系统所成的像叫出射窗。　　有效光阑：用以限制轴向成像光束孔径的大小，也称作孔径光阑。它对前方系统所成的像叫入射光瞳，对后方系统所成的像叫出射光瞳。（2）渐晕　　在光学系统中，除了入射光瞳外，还会有其他光阑的物方的像

5、，会使轴外光束孔径减小。（正对镜头的孔径大、斜对镜头的孔径小）　　在入射光瞳平面上，轴外光束截面积与轴向光束截面积之比称为面积渐晕系数。入射光瞳平面上子午线宽度与入射光瞳直径之比称为线渐晕系数。（3）焦深　　实际光学系统在矫正像差后，除在理想成像面上可获得清晰的像外，常把波面的参考点沿轴向离焦，使波差不超过λ/2（即±λ/4）时，也能得到清晰的像。对应的离焦量称做焦深。（4）景深除了少数只对一个平面成像的光学系统（照片放大机物镜和电影放映物镜等），镜头一般都要求对一定深度的空间成像，即：光学系统应能使距镜头不同距离远的各空间物体能同时在像平面上成一清晰的像，这就引出了空间物体在平面上成像的清

6、晰度问题，即景深。A．容许的光斑直径Z’越大则景深越大。其中光斑直径Z’的大小与图像传感器的分辨率有关。　　B．景深与照相物镜的光束口径D、焦距f’和物距l等3个参数均有关，即：　　光束口径D越小则景深越大。焦距f’越小则景深越大。　　物距l越大（被摄物越远）则景深越大。一般情况下，对照相物来说，

7、l

8、>>f’，式中，D/f’为照相物镜的相对孔径。镜头的相对孔径越小（即光圈越小）则景深越大；在D/f’相同的条件下，焦距f’越小（如短焦距的广角镜头）则景深越大。二、摄像物镜系统摄像物镜系统（简称镜头）能够将远距离目标成像在CCD器件的靶面上，其光学特性主要由三个参数决定，即焦距f’、相对孔径D

9、/f’和视场角2ω。一般情况下，安防监控摄像机均指的是CCD摄像机裸机，因此，在实际应用中，还需根据应用场合的现场情况及用户的具体要求，选择一个合适的镜头与摄像机配套，比如：选配定焦距镜头或变焦距镜头。1.定焦镜头定焦镜头指的是具有固定焦距f’的镜头，因而其相对孔径D/f’和视场角2ω都是固定不变的，但它一般都有一个光强控制系统（即光阑或光圈）。2.变焦镜头当镜头的焦距及视场在一定范围内改变时，其在CCD靶面