1、摄像机镜头的选择与计算摄像机镜头的选择与计算闭路电视系统中摄像机镜头的选择和计算，在选择和计算镜头时提供了三种方法：公式计算法、查表法和图解法。 摄像机镜头是视频监视系统的最关键设备，它的质量（指标）优劣直接影响摄像机的整机指标。 因此，摄像机镜头的选择是否恰当既关系到系统质量，又关系到工程造价。 b_*gnG m# v_P /m_ 1、按镜头尺寸划分:摄像机镜头与摄像机一样也分为8.5mm(1/3in)、13mm(1/2in)、17mm(2/3in)、19mm(3/4in)、25mm(1in)等多种，在选择摄像机镜头时，一般应与摄像机相对应，即13mm摄像机应选用13mm镜头。 _OA#l_
2、c 3JP._Fm0C! 2、按镜头类别划分：摄像机镜头分手动光圈镜头和自动光圈镜头两大类型，手动和自动调整都是为了调节光通量，使传感器感受的光量保持在最佳状态。 ac_5_cNQ2 v_E_J9_ 二、手动、自动光圈镜头的应用范围 |#w,u7q _F_q,_ 手动光圈镜头是最简单的镜头，适用于光照条件相对稳定的条件下 。手动光圈由数片金属薄片构成。光通量靠镜头外径上的一个环调节。旋转此圈可使光圈收小或放大。在照明条件变化大的环境中或不是用来监视某个固定目标，应采用自动光圈镜头，比如在户外或人工照明经常开关的地方，自动光圈镜头的光圈的动作由马达驱动，马达受控于摄像机的视频信号。手动光圈镜头和
3、自动光圈镜头又有定焦距（光圈）镜头自动光圈镜头和电动变焦距镜头之分。 -edgKT n *_0!84j_nX 1、定焦距（光圈）镜头，一般与电子快门摄像机配套，适用于室内监视某个固定目标的场所作用。定焦距镜头一般又分为长焦距镜头，中焦距镜头和短焦距镜头。中焦距镜头是焦距与成像尺寸相近的镜头；焦距小于成像尺寸的称为短距镜头，短焦距镜头又称广角镜头，该镜头的焦距通常是28mm以下的镜头。短焦距镜头主要用于环境照明条件差，监视范围要求宽的场合。 焦距大于成像尺寸的称为长焦距镜头，长焦距镜头又称望远镜头，这类镜头的焦距一般在150mm以上，主要用于监视较远处的景物。 _Ddp%_fr nM_|_S_
4、2、手动光圈镜头，可与电子快门摄像机配套，在各种光线下均可使用。 b_F_1$4 Q) WaNB_ 3、自动光圈镜头（EF镜头）可与任何CCD摄像机配套，在各种光线下均可使用，特别用于被监视表面亮度变化大、范围较大的场所。为了避免引起光晕现象和烧坏靶面，一般都配自动光圈镜头。 n:_ny_: _E_CN$h6_ 4、电动变焦距镜头，可与任何CCD摄像机配套，在各种光线下均可使用。 变焦距镜头是通过遥控装置来进行光对焦，光圈开度，改变焦距大小的。 7P=/G4.XT l(_g_7e?j 三、镜头的计算 ;5_nZ mg_SD _6(_fG_(d 1视场计算图 |_F59I4Y i_1JHf P
5、式中： H=视场（摄取场景）高度（m） ZrP-_a u- ucjn W=视场（摄取场景）宽度（m） wC r7FYj2tR# W= H (m) uasT_ z_ P,Q e3W_ L 镜头至被摄取物体的距离(视距)(m) ;n._gkB& _PMJ0_=p b 像场（靶面成像面积）高度（mm） d_qV_wZ_q_ _1w.0skL p 因摄像机的摄像管不同，其靶面像场的值也不同，具体数值如下表1 P_i6_tyX 48Unwp_Hd 摄像机靶面成像像场a、b值 -y_U_8Qlx dZAk(Y. 表 1 C_Q_|_18l3 QG _ _c 摄像管尺寸 a (mm) ：b (mm) _y=
6、b m& 5#!R_!Iaq 25.5mm (1in) 9.5 ：12.7 0Ztt_ _m _B./f(_ _?Pt0_8!J 水平视场角与垂直视场角的关系如下 ： W_,0p,kS _#sb_k| 表中列出了不同尺寸摄像层和不同焦距f时的水平视场角b的值，如果知道了水平 8SU_.)# _L_EGK1_? 或垂直视场角便可按下式计算出视场高度H和视场宽度W。 B a_(NSL, p_z*!hoC8X 例如：摄像机的摄像管为17mm (2/3in),镜头焦距f为12mm，从表2中查得水平 DUi: jN_ *$_Dxg_T5 视场角为40而镜头与被摄取物体的距离为2m,试求视场的宽度W。 J
7、_F/m: U Ghd-H=/ 焦距f越长，视场角越小，监视的目标也就小。 _r_r E7a _ 2T _lG_s 3、图解法 _#_P)Nn (mm) 水 平 视 场 角 r6U-sp(_ 8_8 nI3Dj 欲监视景物的尺寸。 9FX|_/V )D_R#_3S 摄像机与景物的距离。 V_D%dv_ 8F2h_$ , 摄像机成像器的尺寸：1/3、1/2、2/3或1。 D_J0_=d /._ * 图解选择镜头步骤 ： X#_e_/dGI Nc; 估计或实测视场的最大宽度； 估计或实测摄像机与被摄景物间的距离；使用1/3镜头时使用图2, 使用1/2镜头时使用图3, 使用2/3镜头时使用图4,使用
8、1镜头时使用图5。具体方法： 在以W和L为座标轴的图 25中, 查出应选用的镜头焦距。为确保景物完全包含在视场之中，应选用座标交点上 面那条线指示的数值。 例如 ： q -8_:)* 0B:$q_#j 视场宽50m, 距离40m, 使用1/3格式的镜头，在座标图中的交点比代 表4mm镜头的线偏上一点。这表明如果使用4mm镜头就不能覆盖50m的视场。 而用2.8mm的镜头则可以完全覆盖视场。镜头的调节主要是指焦距和光圈的调节。大多数镜头都标有距离指示，告诉你镜头调焦的远近、景深范围的大小，以及清晰聚焦区域的宽窄。影响景深的三个因素是光圈，被摄体到照相机的距离，以及镜头的焦距。焦距最短的镜头对准无
9、限远聚焦时，其最小的有效光圈能产生最大景深。也就是说光圈越大，焦距越长，被摄体距离越近，景深就越小。 Zs;XrJ Y6 _YPL5_ A_ 聚焦和光圈 _Cn m#* H 景深:被摄体周围适度清晰聚焦的范围对最终影象的出现起着至关重要的作用。为了充分利用镜头上提供的所有光圈，可把照相机固定在三脚架上，以防照相机抖动。 =_TW_9tn .%/Ix_/RX f/光圈数和光圈大小 x_SU_m: 调定在某一f/光圈数时的任何种类的镜头能够透射过几乎相同 光量的影象，因为光阑直径直接与焦距相关，例如，一只80毫米的镜头在使用5毫米的光阑直径时，光圈必定调节在f/16上。因此镜头的焦距在除以光阑直径
10、后，就得到相应的f/光圈数。 H1C)e_&_o_ B_ wl_ 焦距标记 r8_;UE_E 调节调焦环螺纹，镜头从照相机处伸出，随着调焦环的转动，通过放认对准固定参看符号的标记，你就可以发现正在调节的焦距。 _9Eke9 ad_u_8_yEG 光圈调节 b_ 随着镜头对被摄体聚焦，可在固定参看符号两边寻找对应于（或接近）己调定的光圈f/数，辨认焦距标记下相对的数值，便可决定有效景深。 =u QQ?bc _$_!f._m| 景深的作用 光圈大小的改变：通过相同焦距的镜头对相同距离的被摄体聚焦，该示说明光圈大小的调整是如何改变景深的。一般来说，被摄体的前景深扩大1/3，后景深则扩大2/3，光圈越
11、小，景深越大。F/2光圈的景深远远小于f/16光圈的景深。 (L J_S7mL E_(_erg 被摄体至照相机的距离：即使采用同样的焦距和光圈，景深在一定程度上如何受制于被摄体至照相机的距离。被摄体距照相机越近，景深就越小。镜头对15英尺（4.5米）处聚焦所产生的景深比镜头对5英尺（1.5米）处聚焦所产生的景深要大得多。 w G_ _ 镜头的改变：在相同物距 和光圈的情况下，使用不同焦距的镜头可改变景深，镜头焦距越短，最深越大，对于超广角镜（8-15毫米），景深非常大，以致无需调焦，因为每一级光圈的景深都是清晰的。照相机的工作过程，概略地说是应用光学成像原理，通过照相镜头将被摄物体成像在感光材
12、料上。下面将粗略地介绍摄影光学成像原理：人类对于光的本性的认识，光线的传播及透镜成像原理。 sOeiS_$:Z E N_Z!_ 人类对于光的本性的认识经历了漫长而又曲折的过程。在整个18世纪中，光的微粒流理论在光学中仍占优势，人们普遍认为光是微小的粒子组成的，从点光源发出并以直线向四面八方辐射。19世纪初，以杨氏（Young）和菲涅耳（Fresnel）的著作为代表逐步发展成今天的波动光学体系。如今对光的本性认识是：光和实物一样，是物质的一种，它同时具有波的性质和微粒（量子）的性质，但从整体来说，它既不是波，也不是微粒，也不是它们的混合物。 _305flN! _ aW zw$_j_M 从本质上，
13、讲光和一般无线电波并无区别，光和电磁波一样是横波，即波的振动方向与传播方向垂直。一个发光体就是电磁波的发射源，发光体发射的电磁波向周围空间传播，和水波波动产生的波浪向四周传播相似。强度最大或最小的两点距离称为波长，用表示。传播一个波长所需的时间称为周期，用T表示，一个周期就是一个质点完成一次振动所需要的时间。1秒内振动的次数称为频率，用表示。经过1s振动传播的距离称为速度，用“v”表示。波长、频率、周期和速度之间有如下关系： A4jPf_T v=/T ，=1/T，v= |_/_:E_ d_$_t9_y 由此可见，光的波长与频率成反比。实际上光波只占整个电磁波波段的很小一部分。波长在400700
14、nm的电磁波能够为人眼所感觉，称为可见光，超过这个范围人眼就感觉不到了。不同波长的可见光在我们的眼睛中产生不同的颜色感觉，按照波长由长到短，光的颜色依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等色。不同波长的电磁波在真空中具有完全相同的传播速度，数值是c=300,000km/s。 U_V_E c_ a_x_oIU 光既然是电磁波，研究光的传播问题，应该是一个波动传播问题，但是在设计照相机镜头及其他光学仪器时，并不把光看作是电磁波，而是把光看作是能传播能量的几何线，叫做光线。光源A发光就是向四周发出无数条几何线，这无数条具有方向的几何线就叫做光线。这样在几何光学中研究光的传播问题，就变成了一个几何问题、数学
15、问题，问题简化多了。 lXx& D, M_Ip=$_!C_ 下面叙述几何光学的几个基本定律光线的传播规律： _*#:(k_rN (1)光的直线传播定律 光在均匀介质中，是沿着直线传播的，即在均匀介质中光线为一直线。光的直线传播现象在日常生活中随时随地可以见到，如物体被光照射而成影，小孔成像等。光的直线传播引出了光线这个概念。 _80_K_(_ 9t_6O%52B (2)光的独立传播定律 光的传播是独立的，当不同光线从不同方向通过介质某一点时，彼此互不影响。当两支光线会聚于空间某一点时，它的作用为简单的叠加。光线的这一性质，使被拍摄物体各点的光互不影响地进入照相镜头，在成像面上成像。 ,D1(_
16、 _5_ d_A/Sn_n (3)光的反射定律 当光传播到两种不同介质的分界面时，就会改变传播方向，发生光的反射。光的反射定律指出： yKtw/_t 入射光线、反射光线和分界面上光投射点的法线在同一平面内，人射光线与反射光线分别位于法线的两侧。 dwwQn_IJK 人射角和反射角相等。入射光线与法线N的夹角记为入射角，用i表示；反射光线与法线N的夹角记为反射角，用表示。则有i=。光的反射现象还具有可逆性，假如光线逆着原来反射光线方向入射到界面上，那么它将逆着原来入射光线的方向反射出去。随着界面的不同，反射又可分为定向反射和漫反射。从一个方向入射到光亮、平整的镜子上的光线，入射点都落到同一平面上
17、，其反射都向着同一方向，则称为定向反射。当光从一个方向投射到粗糙表面上时（如毛玻璃面等），由于粗糙面可以看成由许多角度不同的小平面组成，光线便从各个不同的方向反射出去，称为漫反射。但需注意在漫反射现象中，就每一条光线而言都还是遵循反射定律的。 it_(5 88_hCF0_ 光的反射，在照相术中起着相当重要的作用。例如人本身并不发光，但当光线从各个角度照射到人身上后，光线便可从各个角度有所反射。我们常利用反射光进行拍照，就是遵循光的反射定律。光学镜头基本结构计算机辅助设计一、 引言计算机辅助设计技术早已应用到镜头的光学设计当中，镜头的结构设计也有一些计算机辅助设计软件，但是由于结构设计的多样性或
18、专业性强或要昂贵平台支持而使用不便。光学镜头的结构设计要求各个光学零件准确定位和合理固定，保证镜头的光学性能。对于照相物镜、显微物镜、望远物镜、目镜等大多数非变焦、光轴成直线的镜头来说，其基本结构由透镜、压圈、镜筒、隔圈组成。只要对这些结构作自动设计，就能省去许多费事的构思和繁琐的计算。以自动设计得到基本结构为基础，就不难修改成为所要求的特殊结构，例如镜筒与机壳的专用连接结构。本文介绍的光学镜头基本结构计算机辅助设计是基于广泛应用的AutoCAD平台和采用人机交互式操作，用AutoLISP语言进行参数化和模块化设计，通用性好且简单易行。二、 镜头结构分类常用光学镜头诸如望远物镜、显微物镜、照相
19、物镜和目镜，基本结构包括四个部分：透镜、隔圈、镜筒、压圈。隔圈结构类型比较多，它受前后透镜直径和通光孔径的大小差别影响较大，也受其它结构要素影响。隔圈结构类型如图1所示。 承接设计项目 图1镜筒结构大体可以分为两类：直筒式和台阶式。压圈的结构形式包括外螺纹压圈和内螺纹压圈，在实际应用中大多采用外螺纹压圈，因此本文仅考虑外螺纹压圈，又根据光学系统对边缘光线是否扩散和外观要求的不同，压圈可以分成三种形式。仅以镜筒和压圈的结构形式组合(暂考虑隔圈一种形式)就可以把镜头结构分为如图2所示的六种形式。图2本文所述CAD的方法是用户根据镜筒和压圈分类的图标菜单来选择结构形式，再通过文字提示用户去决定选择何
20、种隔圈形式。 透镜设计 三、 总体设计把镜头基本结构分成了六种类型，就可以把整个软件系统设计成六个主程序来分别完成六种类型结构的设计。首先让用户输入光学系统外形尺寸，然后选择：只画光学系统图或画六种类型中一种类型结构图。每个主程序要调用光学系统、压圈、镜筒、隔圈的子程序完成整个光学镜头装配图绘制和自动设计。软件系统框图如图3所示。图3在设计程序时采用了模块化设计，一个模块实现某一特定的功能，各个模块功能不重复，相互之间共享数据资源，存在调用关系。各个模块实现的功能和程序的对应关系如表1所示。在本设计中我们主要采用编制下拉菜单的方法提供用户界面。建立的新菜单文件名是BIT.MNU，编辑的下拉菜单
21、区是POP6，名称是BYSJ。表1程序名称 完成的功能lensdata.1sp 接收用户输入的光学系统参数并转化为一数据文件bit.mnu 编制下拉菜单，提供用户界面bysj1 设计结构类型一，其间调用len、hring1、barrel1、space1bysj2 设计结构类型二，其间调用len、hring2、barrel1、space1 光学设计 bysj3 设计结构类型三，其间调用len、hring3、barrel1、space1bysj4 设计结构类型四，其间调用len、hring4、barrel2、space2bysj5 设计结构类型五，其间调用len、hring5、barrel2、sp
22、ace2bysj6 设计结构类型六，其间调用len、hring6、barrel2、space2len.1sp 单独按照输入参数绘制光学系统图len 设计结构类型时被调用来绘制光学系统图hring1 直筒式结构中用来绘制压圈形式一hring2 直筒式结构中用来绘制压圈形式二hring3 直筒式结构中用来绘制压圈形式三hring4 台阶式结构中用来绘制压圈形式一hring5 台阶式结构中用来绘制压圈形式二hring6 台阶式结构中用来绘制压圈形式三barrel1 直筒式结构中用来绘制镜筒barrel2 台阶式结构中用来绘制镜筒space1 直筒式结构中用来绘制隔圈space2 台阶式结构中用来绘制
23、隔圈 设计项目3000元起承接lid.1sp 点取图形中一个实体将其图层设定为当前层lsel.1sp 点取图形中一个实体将其图层作为选择层ofo.1sp 点取图形中的实体，用off关闭其图层然后可用on打开isolate.1sp 点取图形中一个实体将其图层分离出而关闭其它层图4在用户进入到绘图方式后，点取下拉菜单BYSJ将会看到如图4所示的菜单。图4 Part Control项主要用于完成设计之后分离各零件，单独把每个零件从装配图中拆出，或者把某个零件上的所有线条一起进行编辑。Input Data项主要用于光学系统参数的输入并转化为数据文件以便于其它程序的取用。Draw Lens Only项用
24、于不需要设计整个镜头结构时单独绘制光学系统图。Select Type项用于六种结构类型的选择。它调用了图标菜单ICON，将六种类型的结构简图用图像形式形象地显示出来，使用户很方便地选择所需要的结构类型，如图2所示。四、 程序编制示例由图3系统框图可知，各个零件都编制了相应的子程序完成其结构绘制，下面仅以光学系统为例说明程序的编制过程。完成光学系统绘制的程序Len.1sp自定义函数的流程图如图5所示。首先从数据文件中取出第一组参数，利用绘图命令按照参数绘制透镜，然后循环操作取出第二组、第三组参数，在距离前一透镜d+t处绘制透镜，直至整个透镜系统绘制完毕。图5五、 关键技术处理1. 镜筒壁厚和压圈
25、宽度镜筒壁厚与它的直径有关。螺纹退刀槽处的镜筒壁厚一般是整个结构中的最薄之处。因此程序中以退刀槽处为壁厚基准，各种直径范围的壁厚选择由条件语句完成。在台阶式结构中中间部分各处的壁厚都与退刀槽处的壁厚相等，而在直筒式结构中中间部分的壁厚要比退刀槽处的壁厚大一些。同理压圈宽度、螺距和起子槽的大小也按直径范围的选择由条件语句完成。 技术问题联系 support 2. 镜筒两端轴向尺寸为保护前镜片，镜筒的前端表面应超出凸透镜前表面某一预置尺寸。而镜筒后端表面则要与压圈后表面相平齐或稍为超出压圈后表面。3. 镜筒台阶轴向尺寸位于镜筒内孔台阶处的隔圈和压圈与台阶端面之间必须空出一些距离，以保证各零件尺寸有误差时隔圈和压圈都不得碰到台阶，这样才能起到应有的定位和压紧作用。本设计的镜筒台阶尺寸是根据透镜的边缘厚度来处理确定的。4. 从装配图拆出零件图 利用AntoCAD独特的图层处理技术，用户根据需要设定若干图层。将不同零件画在不同层上，运用图层的开启关闭、冻结解冻的作用，就可以方便地从装配图上分离出某个零件图。本程序特
