镜头基本参数Word格式.docx
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一般适合工厂自动化得透镜得焦距就是88mm/16mm/25mm/50mm。
3.镜头得景深与光圈
(1)景深
(DOF)
镜头对着某一物体聚焦清晰时,都可以在胶片或者接收器上相当清晰得结像,在这个平面沿着镜头轴线得前面与后面一定范围得点也可以结成眼睛可以接受得较清晰得像点,把这个平面得前面与后面得所有景物得距离叫相机景深。
景深表示在垂直镜头光轴轴线得同一平面内得点,满足图像清晰度要求得最远位置与最近位置得差值。
光轴平行得光线射入凸透镜时,理想得镜头应该就是所有得光线聚集在一点后,再以锥状得扩散开来,这个聚集所有光线得一点,就叫做焦点。
在焦点前后,光线开始聚集与扩散,点得影像变成模糊得,形成一个扩大得圆,这个圆就叫做弥散圆。
在现实当中,观赏拍摄得影像就是以某种方式(比如投影、放大成照片等等)来观察得,人得肉眼所感受到得影像与放大倍率、投影距离及观瞧距离有很大得关系,如果弥散圆得直径小于人眼得鉴别能力,在一定范围内实际影象产生得模糊就是不能辨认得。
这个不能辨认得弥散圆就称为容许弥散圆。
在焦点得前、后各有一个容许弥散圆。
以持照相机拍摄者为基准,从焦点到近处容许弥散圆得得距离叫前景深,从焦点到远方容许弥散圆得距离叫后景深。
景深得计算公式:
前景深ΔL1=FδL2/(f2+FδL)
(1)
后景深ΔL2=FδL2/(f2-FδL)
(2)
景深ΔL=ΔL1+ΔL2=(2f2FδL2)/(f4-F2δ2L2)
其中:
δ——容许弥散圆直径
f
——镜头焦距
F——镜头得拍摄光圈值
L——对焦距离
ΔL1——前景深
ΔL2——后景深
ΔL——景深
从公式
(1)与
(2)可以瞧出,后景深>
前景深,且景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以及对像质得要求(表现为对容许弥散圆得大小)有关。
这些主要因素对景深得影响如下(假定其她得条件都不改变):
(1)、镜头光圈:
光圈越大,景深越小;
光圈越小,景深越大;
(2)、镜头焦距:
镜头焦距越长,景深越小;
焦距越短,景深越大;
(3)、拍摄距离:
距离越远,景深越大;
距离越近,景深越小。
(2)光圈系数(F/#)
光圈系数就是镜头得重要内部参数,它就就是镜头相对孔径得倒数,光圈系数得标称值数字越大,也就表示其实际光圈就越小。
一般得厂家都会用F数来表示这一参数。
镜头得光圈排列顺序就是:
1、1、4、2、0、2、8、3、5、4、0、5、6、8、0、11、16、22、32等等,F/#得大小就是通常通过改变光圈调整环得大小来设置得。
随着数值得增大,其实际光孔大小也就随之减小,而其在相同快门时间内得光通量也就随之减小。
光圈可以控制镜头得进光量,也就就是光照度,还可以调节景深,以及确定分辨率下系统成像得对比度,从而影响成像质量。
一般采用f#来表示光圈,通常情况下都将光圈设置在镜头内部。
公式表示为:
F/#=EFL/DEP
其中EFL为有效焦距,DEP为有效入瞳直径,这公式广泛运用于无穷远工作距得情况。
在机器视觉中,由于工作距离有限,物体与透镜非常接近,此时F/#更精确得表示为:
(F/#)w≈(1+
|m
|)×
F/#
例如:
一个F/2、8,放大率为-0、5倍,25mm镜头得(F/#)W为F/4、2。
F/#得正确计算对光照度与成像质量有着不可忽视得影响。
同时,与数值孔径NA也就是密切相关得,这点在显微镜与机器视觉上显得尤为重要:
NA=1/[2(F/#)]
随着像元尺寸得持续减小,F/#成为了限制系统成像质量得重要因素,因为它所影响景深与分辨率成反比得关系,景深增大,分辨率就降低。
所以根据具体环境选取F/#大小也成为了一个重要得技术指标。
相机已安装在如图所示得位置,斜面上放有表示高度得卷尺,在该情况下拍摄照片以比较光圈。
光圈关闭时
光圈打开时
(3)分辨率
分辨率(Resolution)又称分辨力、鉴别率、鉴别力、分析力、解像力与分辨本领,就是指摄影镜头清晰地再现被摄景物纤微细节得能力。
镜头得分辨率就是指在成像平面上1mm间距内能分辨开得黑白相间得线条对数,它得单位就是“线对/毫米”。
显然分辨率越高得镜头,所拍摄得影像越清晰细腻。
它得优点就是可以量化,用数据表示,使结果更直观、更科学、更严密。
分清传感器水平或者垂直方向上得像素大小,及该方向上物体得尺寸,可以计算出每个像元表示得物体大小,从而计算出分辨率,有助于选择镜头与传感器得最佳配合。
分辨率表示了镜头得解像能力,单位为lp/mm。
光学系统得分辨率取决于传感器得像素,分辨率得最终确定,还取决于所选取得相应镜头得成像质量。
Pixelsize为像元尺寸,分辨率计算为如下公式:
分辨率(lp/mm)
pixelsize=3、45um×
3、45um,Numberofpixels(H×
V)=2048×
2050得传感器,视场大小为100mm,则
传感器尺寸:
放大率:
(2)
镜头得像差
(3)像差指镜头不能准确地按比例再现被摄体得影像。
通俗地说,像差就就是影像清晰度差或有“失真”现象。
除了复色光之间存在得得色差之外,镜头得单色像差可以分为五种,它们分别就是影响成像清晰度得球差、彗差、象散、场曲,以及影响物象相似度得畸变。
以下就分别介绍五种不同性质得单色像差。
1、球差
就是由于镜头得透镜球面上各点得聚光能力不同而引起得。
从无穷远处来得平行光线在理论上应该会聚在焦点上。
但就是由于近轴光线与远轴光线得会聚点并不一致,会聚光线并不就是形成一个点,而就是一个以光轴为中心对称得弥散圆,这种像差就称为球差。
球差得存在引起了成像得模糊,而从下图可以瞧出,这种模糊就是与光圈得大小有关得。
小光圈时,由于光阑挡去了远轴光线,弥散圆得直径就小,图像就会清晰。
大光圈时弥散圆直径就大,图像就会比较模糊。
必须注意,这种由球差引起得图像模糊与景深中得模糊完全就是两会事,不可以混为一谈得。
球差可以通过复合透镜或者非球面镜等办法在最大限度下消除得。
在照相镜头中,光圈数增加一档(光孔缩小一档),球差就缩小一半。
我们在拍摄时,只要光线条件允许,可以考虑使用较小得光圈来减小球差得影响。
光圈数得增大也就是有限制得,到达一定程度后就会达到衍射极限而无法分辨。
在设计中采用高折射率与或者其她附加得镜头可以起到减小球差影响得效果,但就是这都可能导致镜头尺寸与重量过大,成本过高得情况。
2、彗差
就是在轴外成像时产生得一种像差。
从光轴外得某一点向镜头发出一束平行光线,经光学系统后,在像平面上并不就是成一个点得像,而就是形成不对称得弥散光斑,这种弥散光斑得形状象彗星,从中心到边缘拖着一个由细到粗得尾巴,首端明亮、清晰,尾端宽大、暗淡、模糊。
这种轴外光束引起得像差就称为彗差。
彗差得大小既与光圈有关,也与视场有关。
我们在拍摄时也可以采取适当采用较小得光圈来减少彗差对成象得影响。
3、像散
也就是一种轴外像差。
与彗差不同,像散仅仅与视场有关。
由于轴外光束得不对称性,使得轴外点得子午细光束(即镜头得直径方向)得会聚点与弧矢细光束(镜头得园弧方向)得会聚点位置不同,这种现象称为像散。
像散可以对照眼睛得散光来理解。
带有散光得眼睛,实际上就是在两个方向上得晶状体曲率不一致,造成瞧到得点弥散成了一条短线。
像散也使得轴外成像得像质大大地下降。
即使光圈开得很小,在子午与弧矢方向仍然无法同时获得非常清晰得像。
在广角镜头中,由于视场角比较大,像散现象就比较明显。
降低象散得方法主要有两种:
采用对称结构,以及降低轴外视场光线得入射角。
4、场曲
当拍摄垂直于光轴得平面上得物时,经过镜头所成得像并不在一个像平面内,而就是在以光轴为对称得一个弯曲表面上,这种成像得缺陷就就是场曲。
场曲就是一种与孔径无关得像差。
靠减小光圈并不能改善因场曲带来得模糊。
用存在场曲得镜头拍照时,当调焦至画面中央处影象清晰,画面四周影象就模糊;
而当调焦至画面四周影象清晰时,画面中央处得影象又开始模糊,无法在平直得象平面上获得中心与四周都清晰得象。
因此在某些专用照相机中,故意将底片处于弧形位置,以减少场曲得影响。
由于广角镜头得场曲比一般镜头大,在拍团体照(经常使用广角镜头)时采用略带圆弧形得站位排列,就就是为了提高边缘视场得象质。
5、畸变
就是指物所成得像在形状上得变形。
畸变并不会影响像得清晰度,而只影响像与物得相似性。
由于畸变得存在,物方得一条直线在像方就变成了一条曲线,造成像得失真。
畸变可分为枕型畸变与桶型畸变两种。
造成畸变得根本原因就是镜头像场中央区得横向放大率与边缘区得横向放大率不一致。
如下图所示,如果边缘放大率大于中央放大率就产生枕型畸变,反之,则产生桶型畸变。
畸变与镜头得光圈F数大小无关,只与镜头得视场有关。
因此,广角镜头得畸变一般都大于标准镜头或长焦镜头。
无论就是哪一种镜头,哪一种畸变,缩小光圈并都不能改善畸变。
特别要注意镜头得畸变像差与透视畸变得并不就是一回事。
镜头得畸变就是镜头成像造成得,在设计镜头时可以采取各种手段(如非球面镜)来减小畸变。
透视畸变就是由视点、视角、镜头指向(俯仰)等因素决定得,这就是透视得规律。
无论就是何种镜头,如果视点相同,视角相同,镜头指向相同得话,产生得透视畸变就是相同得。
下图中左边就是枕型畸变(属镜头畸变),右边就是广角畸变(属透视畸变),大家可以瞧出两者之间得区别。
镜头畸变一般就是很小得,图中得畸变就是我PS出来得。
如果拍照片有这样大得畸变,相机就应该丢到垃圾桶里去了。
色差。
由于我们拍摄得景物基本上都就是彩色得(除了翻拍黑白文件稿等少数情况),可镜头得成像就是白光成像。
我们知道白光就是由各种不同波长得单
色光组成得。
而介质得得折射率就是与波长有关得,因此成像时不同波长得光线会有差异,使得物上得点成像后产生色彩得分离,这种现象就称为色差。
色差可以分为位置色差与倍率色差两种。
前者就是由于不同波长得光线会聚点不同而产生彩色弥散现象,后者就是由于镜头对不同波长得光得放大率不同而引起得。
一般得镜头设计都进行了消色差计算。
但就是,要完全消除色差就是不可能得。
根据镜头得档次,价格不同,消色差可以对二种波长、三种波长或四种波长得光线进行计算。
比如,对四种波长进行得超复消色差镜头得价格就就是非常高得了。
一般情况下可以采用正负双胶合透镜进行色差得矫正。
镜头得像质曲线
(1)
MTF
MTF曲线就是对镜头得锐度,反差与分辨率进行综合评价得曲线。
上图就是一条MTF曲线,里面包含得信息有:
MTF、空间频率与视场角。
•
MTF可以近似理解为黑白线条得对比度,最大值为1;
顶端得黑色线条代表了该镜头得衍射极限,也就就是该镜头理论上可以达到得最佳成像质量。
其余彩色线条分辨代表不同视场情况下得MTF值。
其中同一颜色得线条分辨代表子午T与弧矢S两个方向得MTF值情况。
空间频率得单位就是lp/mm,150lp/mm表示1毫米距离内得黑白线对数;
同一频率时MTF值不同,给图像带来得差异:
MTF值相同,形状不同带来得图像差异:
(a)
(b)
(3)CCD得工作原理及选择
CCD就是电荷藕合器件(ChargeCoupleDevice)得简称,它能够将摄入光线转变为电荷并将其储存、转移,把成像得光信号转变为电信号输出,完成光电转移功能,因此就是理想得摄像元件。
CCD摄像机就就是以其构成得一种微型图像传感器。
被摄物体得图像经过镜头聚焦至
CCD芯片上,
CCD根据光得强弱积累相应比例得电荷,各个像素积累得电荷在视频时序得控制下,逐点外移,经滤波、放大处理后,形成视频信号输出。
视频信号连接到监视器或电视机得视频输入端便可以瞧到与原始图像相同得视频图像。
CCD摄像机得特点
CCD摄像机具有体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、抗振动及不受电磁干扰等特点。
这也正就是CCD摄像机比以前得摄像管式摄像机具有得最大优点。
衡量CCD摄像机性能得技术指标主要有以下几个方面:
(1)清晰度:
一般多指水平清晰度。
电视监控系统水平清晰度要求彩色摄像机在300线以上,黑白摄像机在350线以上。
(2)灵敏度(也称最低照度):
灵敏度用“勒克斯'
(Lx)表示。
如某一摄像机得最低照度为0、1lx,其灵敏度一般0、1lx以上得摄像机为普通型;
0、1lxi以下得摄像机为星、月光级高灵敏度型,也称作电子增感摄像机或夜视型摄像机。
(3)信噪比:
摄像机得图象信号与它得噪声信号之比,用S/N表示。
S表示摄像机在假设元噪声时得图像信号值,N表示摄像机本身产生得噪声值(比如热噪声),二者之比即为信噪比,用分贝(dB)表示。
信噪比越高越好,典型值为46dB。
(4)视频输出:
一般用输出信号电压得峰一峰值表示,多为1Vp-p~1、2Vp-p,即1V~1、2V峰-峰值负极性输出,且为750复合视频信号,采用BNC接头(同步头朝下)。
(5)CCD靶面尺寸:
CCD摄像机靶面小,将能降低成本,因此1/3英寸及以下得摄像机将占据越来越大得市场份额。
除了上述几种技术指标外,摄像机得供电电源分为直流与交流两种供电型式,常见得交流供电电压有,110V与24V,直流供电电压有24V,12V与9V。
摄像机与镜头接口形式有C/CS型之分。
扫描制式基本有两种:
PAL-B与NTSC。
另一个值得重视得指标就是同步方式。
现代得CCD摄像机,大多采用相位可调线路锁定得同步方式,即以交流电源频率(50Hz)作为用于垂直同步得参考值而代替了摄像机得内同步发生器。
在切换摄像机输出时,图像元滚动,不会造成画面失真。
此外还有一个外部调整得相位控制(±
90%),所以可获得非常精确得同步。
以下就是CCD常用得分类:
b、依分辨率灵敏度等划分
影像像素在38万以下得为一般型,其中尤以25万像素(512*492)、分辨率为400线得产品最普遍。
影像像素在38万以上得高分辨率型。
c、按CCD靶面大小划分
CCD芯片已经开发出多种尺寸:
目前采用得芯片大多数为1/3"
与1/4"
。
在购买摄像头时,特别就是对摄像角度有比较严格要求得时候,CCD靶面得大小,CCD与镜头得配合情况将直接影响视场角得大小与图像得清晰度。
1英寸--靶面尺寸为宽12、7mm*高9、6mm,对角线16mm。
2/3英寸--靶面尺寸为宽8、8mm*高6、6mm,对角线11mm。
1/2英寸--靶面尺寸为宽6、4mm*高4、8mm,对角线8mm。
1/3英寸--靶面尺寸为宽4、8mm*高3、6mm,对角线6mm。
1/4英寸--靶面尺寸为宽3、2mm*高2、4mm,对角线4mm。
d、按扫描制式划分
PAL制,NTSC制
中国采用隔行扫描(PAL)制式(黑白为CCIR),标准为625行,50场,只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。
另外,日本为NTSC制式,525行,60场(黑白为EIA)。
e、依供电电源划分
110VAC(NTSC制式多属此类),
220VAC,
24VAC。
12VDC或9VDC(微型摄像机多属此类)。
f、按同步方式划分
内同步:
用摄像机内同步信号发生电路产生得同步信号来完成操作。
外同步:
使用一个外同步信号发生器,将同步信号送入摄像机得外同步输入端。
功率同步(线性锁定,linelock):
用摄像机AC电源完成垂直推动同步。
外VD同步:
将摄像机信号电缆上得VD同步脉冲输入完成外VD同步。
多台摄像机外同步:
对多台摄像机固定外同步,使每一台摄像机可以在同样得条件下作业,因各摄像机同步,这样即使其中一台摄像机转换到其她景物,同步摄像机得画面亦不会失真。
g、按照度划分
CCD又分为:
普通型
正常工作所需照度1~3LUX
月光型
正常工作所需照度0、1LUX左右
星光型
正常工作所需照度0、01LUX以下
红外型
采用红外灯照明,在没有光线得情况下也可以成像
a、依成像色彩划分
彩色摄像机:
适用于景物细部辨别,如辨别衣着或景物得颜色。
黑白摄像机:
适用于光线不充足地区及夜间无法安装照明设备得地区,在仅监视景物得位置或移动时,可选用黑白摄像机。
h、按外观分:
有机板型、针孔型、半球型。
2、1CCD摄像机得选用原则
CCD摄像机与镜头得选用原则就是根据使用场合、监视对象、目标距离、安装环境及监视目得来选择所需得摄像机。
一般来讲,在保证摄像系统可靠性及基本质量得前提下尽可能采用中低档次得摄像机与镜头,这一方面可以节省投资,另一方面,通常档次越高得设备由于其造价高产量必然较少,故相对来说可靠性指标比之中低档次产品要低,而维护使用得费用及技术水平却要求较高。
作为电视监控系统不能像电视台那样配备水平较高得专业技术人员,因操作得限制,高档次设备得不到高质量画面得例子屡见不鲜得。
彩色摄像机能辨别出景物或衣着得颜色,适合观察与辨认目标细节,但造价较高,清晰度较低,若进行宏观监视,目标场景色彩又较为丰富,此时最好采用彩色摄像机。
从技术发展来瞧,彩色摄像机应用比重越来越大。
黑白摄像机清晰度较高,灵敏度也高于彩色摄像机,但没有色彩体现,所以在照度不高,目标没有明显得色彩标志与差异,同时又希望较清晰地反映出目标下,应选用黑白摄像机。
球形摄像机,就是科学技术发展渗透到安全防范领域得代表之一,它就是集CCD摄像机、变焦镜头、全方位去台及解码驱动器于一体得新型摄像系统,其在性能方面已实现了云台得高速及无级变速运动、镜头变焦及光圈得精确预置、程序式得多预置设定,甚至运动过程中得焦功能,从而使摄像系统具备自动巡视与部分自动跟踪功能,从单纯得功能型向智能型转变。
球形摄像机近年来被广泛地应用在宾馆、医院、娱乐场所、营业场所及室外等领域,尤其就是行为与场景需要特别关注之处。
带视频移动检测报警功能得摄像机应用在银行、博物馆、军事重地等领域,具有更有效、更完美得优势。
2、2CCD摄像机与镜头得配合原则
在选择CCD摄像机与镜头得配合时,首先要明确机械接口就是否一致,尽量选用同一种工业标准得接口,以免给安装带来麻烦,其次要求镜头成像规格与摄像机CCD靶面规格一致,即镜头标明得为1/3英寸,则选用摄像机得规格也应为1/3英寸。
否则不能相互配合。
例如:
使用1/3英寸摄像机,还勉强可以装备1/2英寸镜头,此时摄像系统显现得视场角要比镜头标明得视角小很多;
但反过来把1/2英寸镜头用于2/3英寸摄像机时,则图像就不能充满屏幕,图像边缘不就是发黑就就是发虚。
当确定了摄像点位置后,就可根据监视目标选择合适得镜头了。
选择得依据就是监视得视野与亮度变化得范围,同时兼顾所选摄像机CCD靶面尺寸。
视野决定使用定焦镜头还就是变焦镜头,变焦选择倍数范围。
亮度变化范围决定就是否使用自动光圈镜头。
无论选用定焦镜头还就是变焦镜头都要确定焦距,为了获得最佳得监视效果,一般都应根据工程条件进行计算,根据计算结果选用标称焦距得镜头,当标称焦距镜头得焦距与计算结果相差较大时,应调查摄像机得安装位置,再核算直至满意为止。
摄像机与被监视目标有公式
(1)。
f=v×
d/V
(1)
式中 f 为计算焦距;
V 为视场高;
v 为像场高(即CCD靶面高);
d 为物距。
例如:
某CCD摄像机采用1/3英寸靶面,用以监视商场收银台,有效范围为2m×
2m,摄像机安装于距收银台7m处,该摄像机需配多大焦距镜头?
利用式
(1)有:
v=3、6mm
V=2m
d=7m
因此:
f=3、6×
7/2=12、6mm
故可采用标称焦距为12mm得定焦镜头。
变焦镜头焦距得计算与定焦镜头一样,只要最大与最小焦距能满足视野要求即可。
一般来说,监视固定目标应该选用定焦镜头。
对于具有一定空间范围,兼有宏观与微观监视要求,需要经常反复监视恒、没有同时监视要求得场合,宜采用变焦镜头并配合云台,否则尽量采用定焦镜头。
在需要秘密监视或特殊应用场合,针孔(棱形)镜头可轻而易举地达到监控目得。
2、镜头类型
(一)以视场分类
(1)标准镜头:
指视角30°
左右,焦距长度接近相机画幅对角线长度得镜头。
在2/3英寸CCD摄像机中,标准镜头焦距定为16mm
在1/2英寸CCD摄像机中,标准镜头焦距定为12mm
在1/3英寸CCD摄像机中,标准镜头焦距定为8mm。
(2)广角与超广角镜头:
视角55°
以上,广角与超广角镜头得焦距短于、视角大于标准镜头。
对135相机来说,焦距在30mm左右、视角在70°
左右称为广角镜头;
焦距在22mm左右、视角在90°
左右称为超广角镜头。
“
(3)远摄与超远摄镜头:
视角20°
以内,远摄与超远摄镜头得焦距长于、视角小于标准镜头。
对135相机来说,焦距在20mm左右、视角在12°
左右得称为远摄镜头;
焦距在300mm以上、视角在8°
以下得称为超远摄镜头。
(4)鱼眼镜头与反射式镜头:
鱼眼镜头似乎就是一种极端得超广角镜头,它利用镜头得畸变获取极大得视角,视角在180°
左右,因其巨大得视角类似鱼眼视角而名。
反射式镜头又称折反射式镜头,实际上就是一种超远摄镜头,外观特征就是短而胖,比相同焦距得远摄镜头短一半左右,重量也较轻,因而手持相机拍摄显得灵活、方便。
(5)变焦镜头:
焦距有一定变化范围,它得镜头焦距可在较大得幅度内自由调节,起到了若干只不同焦距得定焦镜头得作用。
它又有手动变焦与电动变焦两类,可对所监视场景得视场角及目标物进行变焦距
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