面阵CCD摄像机光学镜头参数及其相互关系

Specification data of CCD camera lens and their relations

1　引　言

　　CCD摄像机最前端都是由一个光学镜头使外界的景物成像在CCD光敏面上。合理选择并安装光学镜头是保证清晰成像并获得正常视频信号的关键。各种CCD光学镜头种类繁多，光学镜头的主要参数都不尽相同，合适的参数指标应根据不同接口、CCD光敏面光学格式、光圈、视场、焦距、F数等来确定。本文讨论面阵CCD光学镜头的性能参数以及各参数之间相互制约的关系。

2　面阵CCD光学镜头的性能参数

2.1　焦距

　　焦距是CCD光学镜头的首要参数，通常用f′来表示。焦距直接关系到视场角的大小。一般短焦距镜头给出较大的视场角；长焦距镜头将构成小视场角，如小视场望远镜头。标准视场角的镜头类似于人眼在正常情况下所看到的范围。所选定的CCD摄像机必有一个相对应的镜头焦距，图1给出了镜头焦距与使用装置的简单计算方法。目标尺寸和视场角给出了求取镜头焦距的计算公式。

图1　镜头焦距与视场角的关系

　　在选择镜头时，应依据摄像机位置到被监测目标的距离来计算镜头的焦距。如图2所示，其计算公式为

2.3　F数
　　镜头通常有F数或孔径两个度量参数，即F=f′/D。当镜头光圈开到最大时，也就是孔径开到最大，这时F数是最小的。在镜头光圈刚要完全关闭以前，F数最大。手动光圈镜头F数一般分为1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22等挡。自动光圈镜头的F数是通过电机的驱动方式，根据入射到CCD光敏面的光强大小来自动改变光圈的大小，使F数在一定范围内改变。F数会影响最终的成像数值。一个低挡F数是指在很暗的条件下，镜头能通过更多的光通量到达CCD光敏面上。当有一个高亮度或高反射的目标物时，必须有高档数或最大F数的镜头，只有这样，CCD摄像机才会产生一个较好的图像。这时，要防止CCD摄像机出现“白电平削波”现象，这种现象会使监示器全屏幕成为一片白色。同时要保持恒定的视频输出。对所有的自动光圈镜头来说，为了增大F数，在光阑中心装有中性变密度的光点滤光片，该滤光片越趋近中心密度越大，如1/3英寸6.0～36mm，F1.2～360，即当计算出孔经D≈0.1mm时，光通量是达不到CCD光敏面所要求的照度的，即使是机械光圈，也很难实现这样小的光圈。所以当F为360时，光圈先关到D=1.125mm，这时F数实际为32，变密度中性滤光片起的作用就使得F数达到360，相当于166000左右的光衰减作用。
2.4　景深
　　景深是指在能够聚焦的情况下可观察清晰图像的视场区域。大景深是指在聚焦状态下，从目标接近镜头到无限远观察清晰图像所占有的较大百分比。在聚焦的情况下，小景深仅仅是一个很小的观察区域。
　　景深受多个参数的影响(见图4)，可用下式表示：

式中L是物距；D是入射光瞳；f′是镜头焦距；x是所允许的像点弥散圆直径。从上式可以看出：

　　(1) 光圈大景深小，光圈小景深大；
　　(2) 焦距长景深小，焦距短景深大；
　　(3) 物距远景深大，物距近景深小；
　　(4) 当对图像清晰度要求高时，即要求像点弥散圆直径x小时，则景深小；当对图像清晰度要求低时，景深大。
　　对一个广角镜头来说，它的焦距短，具有比望远物镜(焦距长)大的景深。高F数的设定意味着有大的景深，自动进行孔径大小调整的自动光圈镜头意味着持续变化的景深。在夜间，当镜头光圈充分打开时，小景深是明显的，这是由于镜头最小景深的缘故。在白天，这种情况可能会出现散焦。

　　以上所讨论的有关面阵CCD镜头的光学参数在实际应用中有多种镜头可供选择，当然还可根据特殊的需要设计制造特殊镜头实现不同条件下的清晰成像。目前许多国内外厂家分别生产了多种系列的CCD镜头，大体上按1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸等CCD光学格式给出不同参数指标的镜头有如下11种：
　　(1) 手动光圈C、CS接口镜头。
　　(2) DC自动光圈C、CS接口镜头。
　　(3) 视频驱动自动光圈CS、C接口镜头。
　　(4) 变焦镜头系列：
　　　　① 手动光圈；
　　　　② DC驱动；
　　　　③ 视频驱动。
　　(5) 非球面高速自动光圈C、CS接口镜头：
　　　　① DC驱动；
　　　　② 视频驱动；
　　　　③ 自动光圈C接口。
　　(6) 手动变焦镜头。
　　(7) 手动变焦自动光圈(DC驱动)。
　　(8) 针孔接头。
　　(9) 电动变焦镜头C、CS接口镜头。
　　(10) 电动变焦镜头C接口镜头。
　　(11) 单板式面阵CCD摄像机，M12×0.5接口系列镜头。
以上各种类镜头的具体指标可查阅厂商产品目录