2024年1月7日发(作者：之春娇)

光学变焦是数码相机镜头的一个极为重要的参数，它和数码变焦存在着本质上的区别。

两者的区别不但体现出它们的工作原理上，在最终的成像效果上，两者也会有明显的差别。单单从成像质量来说，光学变焦比数码变焦优秀很多。但是数码变焦由于成本低廉，也广泛配备在消费级数码相机中。而且，随着图象处理技术的提高，数码变焦的效果也有所改善，例如索尼SmartZoom数码变焦技术，就是一个较为实用的数码变焦技术。

光学变焦与数码变焦的各自原理

光学变焦

要了解光学变焦的原理，首先我们来看看镜头成像的过程。在我们的初中物理课上，老师都会给我们做放大镜成像的试验，燃烧的蜡烛通过放大镜会在白板上清晰地投影出来，同时随着放大镜的前后移动，燃烧的蜡烛在白板上影像的大小会发生变化。这既是相机成像的原理，也是光学变焦的原理所在。相机的光学变焦就是通过改变镜头中焦点的位置，来改变进入镜头光线的角度，从而使同一距离的被摄物体在感光元件上变得更大，或者让更远的物体能够更清晰得聚焦在感光元件上。

光学变焦就是通过移动镜头内部镜片来改变焦点的位置，改变镜头焦距的长短，并改变镜头的视角大小，从而实现影像的放大与缩小。上图中，红色三角形较长的直角边就是相机的焦距。当改变焦点的位置时，焦距也会发生变化。例如将焦点向成像面反方向移动，则焦距会变长，图中的视角也会变小。这样，视角范围内的景物在成像面上会变得更大。这就是光学变焦的原理。

我们平时接触的数码相机光学变焦的焦距，它实际上就是上图中焦距的长度。例如佳能A95的3倍光学变焦镜头，它的焦距为7.8-23.4mm，指的就是焦距长度能够变化的范围，实际上也就是被摄物体能够放大的范围。而等效焦长是将上述焦距换算为传统35mm相机的焦距，从而变得更加直观，这个问题就不在我们的讨论范围了。

数码变焦

数码变焦在原理上理解起来就比较复杂一些。就现在的主流技术来看，数码变焦是利用影像处理器将感光元件中某一区域的感光单元所获得的图象信息进行单独的放大。但是，这种单纯的放大事实上和图象处理软件中的局部放大是完全一样的，完全没有任何使用价值。现在，许多厂商的数码相机内部已经含有图象演算软件，它可以在图象放大，细节损失的同时，将每个像素周边的像素特点进行分析，并用分析所得的数据在该像素周边增加像素，实际上就是所谓的“插补”成像。这在一定程度上可以减轻局部放大对图象质量的影像，但事实上，这种减轻往往是非常有限的。

我们将数码相机的成像结构进行简化可以获得上图。在数码变焦时，被摄物体通过镜头在感光元件上的投影成像的大小并没有改变。只是，相机内部软件通过对感光元件中央部分的像素进行截取，并且使用内置软件进行放大以及插补，从而达到将影像放大的效果。这样的过程就是我们在数码相机中常看到的数码变焦。

光学变焦和数码变焦的优势和缺陷

光学变焦

正如上面的分析，光学变焦是利用镜头内透镜的移动来改变焦距，从而实现影像的放大与缩小。这种图象的放大是通过物理学原理，在放大过程中，感光元件从被摄体中直接感光并形成影像，而没有经过其他任何的电子放大处理。并且在这个过程中，感光元件都是全幅面成像，图象能够保持原有的最高分辨率。因此，通过光学变焦所获得的影像不但使被摄物体变大了，同时也相对更加清晰。这是光学变焦的主要优势。

另外，通过光学变焦，我们还可以获得景深更加小的图片。在拍摄人像等题材时，我们往往使用中长焦段，这样除了能够将人物“拉近”、“放大”，变得更加清晰以外，同时背景还可以获得更好的虚化，从而突出主体人物。

但是，光学变焦也有自己的劣势。一方面，光学变焦镜头相比非光学变焦镜头来说，制造成本要高很多。另外，光学变焦镜头在进行长焦拍摄时，由于身体或者手部震动而对画面的影响就将会更加大，因此长焦拍摄时画面模糊的几率往往更加大。但事实上，光学变焦由于其优势明显，现在已经广泛应用在消费级数码相机中了。

数码变焦

数码变焦是通过软件运算来实现影像的局部放大，因此我们可以看到它几乎不会增加任何硬件设施，只需要在硬件中固化软件就可以了。数码变焦的这种特征使得它极少甚至无需增加相机制造的成本。因此，配备数码变焦并不会对数码相机的售价产生影响。在某些无法进行光学变焦的数码相机中，通过配备数码变焦可以在不增加售价时具有更大的实用性。

而且，数码变焦实际使用时，并不会存在光学变焦在高倍率变焦时抖动加剧的问题。另外，数码变焦比光学变焦更加省电。还有一个鲜为人知的事实是，经过数码变焦以后，图象的分辨率虽然和数码变焦前一样，但是它单张画面的体积大大缩小。这事实上也可以减少存储卡的负担。

当然，数码变焦的负面问题是非常明显，也是非常致命的。它是通过后期的放大来实现影像的放大，虽然某些厂商的数码变焦技术会通过独特的插补运算来提高变焦后的图象质量，但是最后的图象效果仍然是模糊不清，特别是高倍率数码变焦时，效果将会更加惨不忍睹（如上图）。

光学变焦和数码变焦的具体应用

光学变焦

既然光学变焦的优势如此明显，它在数码相机中的应用当然也就非常普及了。事实上，现在市面上的消费级数码相机中，百分之九十五以上的机型都配备了光学变焦。而且随着技术的发展以及镜头制作成本的降低，10倍、12倍甚至15倍光学变焦的消费级数码相机已经出现在市场上了。但是，一般来说，光学变焦倍率越大，价格往往就越高。而且，对于长焦镜头来说，焦距越大，镜头的成像质量往往就会有所降低。

镜头焦距越长，景物的成像也越大，同时背景也能够得到很好的虚化

事实上，为了兼顾实用、成本以及成像质量等多方面的因素，厂商在家用数码相机市场上主推的仍然是3倍光学变焦镜头。这一类镜头的焦距往往囊括了广角风景到中焦人像的种种拍摄题材，对于家庭用户来说是比较适合的选择。

数码变焦

在消费级数码相机中，数码变焦的应用比光学变焦更加广泛。它无需增加硬件，应用成本低廉，事实上现在几乎所有的消费级数码相机都配备了数码变焦功能。而数码变焦在定焦镜头中的应用不但可以祢补无法直接进行影像放大的缺陷，同时也不会增加相机的制作成本。因此数码变焦技术在定焦距镜头中往往就显得比较重要了。

在具体的数码变焦技术上，各个厂家可谓各施各法，各显神通。例如索尼的SmartZoom

智能数码变焦，笔者觉得索尼在宣传时做得太过了。事实上它就是在菜单中调节相片所需的分辨率，只是转换一种操作方式，实际用处和其他的数码变焦相差不大。相反，佳能在数码变焦技术上的开发算是比较好的。

佳能的时尚机型IXUS i主要靠轻薄为卖点，因此取消了光学变焦。虽然它采用定焦镜头，但是同时配备了5.7倍的数码变焦。它的实际效果我们可以通过下面的图片来观察：

从上面的图片中我们可以看到，事实上数码变焦在定焦镜头中的应用还是非常必要的。另外，从最后两张图片的对比来看，我们可以明显注意到：在数码变焦和图象处理软件的局部放大之间，质量差别确实非常明显的，数码变焦的图象质量要好很多。也就是说，数码变焦还是具有一定的实用性的。

此外，佳能在IXUS 700等机型上还配备了数码微距的功能，事实上就是在微距模式下实现数码变焦。只是IXUS 700在此模式下，镜头焦距固定在广角端37mm，无法进行光学变焦。实际拍摄效果上，和上述的结果一样，它的效果要比图象软件局部放大要好很多。但是，就平时观赏来说，建议用户还是不要使用高倍率的数码变焦。

总结：光学变焦和数码变焦的选择

就现在的消费级数码相机市场来说，绝大部分数码相机已经配备了可以进行光学变焦的镜头。联系上述关于光学变焦的优势，我们无疑看到它在成像质量的提高上具有极大的作用。而且我们也可以看到，长焦数码相机市场现在也逐渐火热起来，12倍甚至15倍光学变焦的机型也在市场上流行起来。对于数码相机选购资金预算在1500元以上的消费者来说，选购一款具有光学变焦的数码相机是一个比较好的选择。

在市场上，现今仍然有少量机型并没有配备光学变焦镜头，用户仅能够通过数码变焦来实现图象的放大，但是这样的结果是拍摄的影像质量大大下降。例如现在市面上的佳能IXUS

i以及IXUS i5，前者的售价为1900元，后者的售价为2700元，两者的设计虽然极为轻巧时尚，但售价同比相当昂贵，消费者选购时需要慎重考虑。而低端的柯达CX7300以及三星301在价格上比较低，仅为900元左右，两者都配备了3倍数码变焦以及300万像素CCD。价格上具有极大吸引力，同时外观时尚轻巧，做工也比较精致，对于不在意光学变焦的年轻时尚一族来说，这两款机型也是非常经济的选择。

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机器视觉中使用镜头的计算方式

1、WD 物距 工作距离（Work Distance，WD）。

2、FOV 视场 视野（Field of View，FOV）

3、DOV 景深（Depth of Field）。

4、Ho：视野的高度

5、Hi：摄像机有效成像面的高度（Hi来代表传感器像面的大小）

6、PMAG：镜头的放大倍数

7、f：镜头的焦距

8、LE：镜头像平面的扩充距离

相机和镜头选择技巧

1、相机的主要参数：

感光面积SS（Sensor Size）

2、镜头的主要参数：

焦距FL（Focal Length）

最小物距Dmin（minimum Focal Distance）

3、其他参数：

视野FOV（Field of View）

像素pixel

FOVmin=SS（Dmin/FL）

如：SS=6.4mm，Dmin=8in，FL=12mm pixel=640*480

则：FOVmin=6.4（8/12）=4.23mm 4.23/640=0.007mm

如果精度要求为0.01mm，1pixels=0.007mm<0.01mm

结论：可以达到设想的精度

光学镜头的放大率

影像大小相对于物体的放大率

β=y’/y

光学放大率

=b/a

=NA/NA’

=CCD相机元素尺寸/视场实际尺寸

电子放大率

电子放大率是用相机拍照成像在CCD上的像呈现在显示器的放大倍数

显示器放大率是被拍物体通过镜头成像显示在显示器上的放大倍数

放 大 率 显示器放大率

显示器放大率＝（光学放大率）×（电子放大率）

例子：光学放大率＝0. 2X, CCD大小1/2（对角线长8mm）,显示器14〃

电子放大率＝14×25.4/8＝44.45（倍）

显示器放大率＝0.2×44.45＝8.89（倍） （1寸＝25.4mm）

视场是镜头与CCD相机连接时物体可被看见的范围大小

视场的大小是：（CCD格式大小）/（光学放大率）

视场 例子：光学放大率＝0.2X，CCD1/2〃（4.8mm长，6.4mm宽）

视场大小 ：长＝4.8/0.2＝24（mm）

宽＝6.4/0.2＝32（mm）

工业镜头的基本参数

工业镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像；就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的。

当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物就变得模糊不清；摄像头与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像头的后焦点，改变CCD芯片与工业镜头基准面的距离(相当于调整人眼晶状体的位置)，可以将模糊的图像变得清晰。

由此可见，镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道：设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距，施工人员经常进行现场调试，其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。

一．工业镜头的安装尺寸，接口

所有的摄象机镜头均是螺纹口的，CCD摄象机的镜头安装有两种工业标准，即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。

C安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是17．526mm。

C S安装座：特种C安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是12．5mm。如果要将一个C安装座镜头安装到一个C S安装座摄象机上时，则需要加装一个5mm厚的接圈。

二．镜头的尺寸

以摄象机镜头尺寸分镜头可以分为1英寸、2／3英寸、1／2英寸、1／3英寸、1／4英寸、1／5英寸等规格，下面是一个简单的芯片尺寸规格表：

格式 1英寸

高度

9.6mm

2/3英寸 1/2英寸 1/3英寸 1/4英寸

6.6 mm 4.8 mm 3.6 mm 2.4 mm

宽度

12.8 mm 8.8 mm 6.4 mm 4.8 mm 3.2 mm

摄像机镜头规格应视摄象机的C C D尺寸而定，两者应相对应。大概：

★ 摄像机的C C D靶面大小为1／2英寸时，镜头应选1／2英寸。

★ 摄像机的C CD靶面大小为1／3英寸时，镜头应选1／3英寸。

★ 摄像机的C C D靶面大小为1／4英寸时，镜头应选1／4英寸。

如果镜头尺寸比摄像机C C D靶面尺寸大时，将使图像视野比镜头视野小，即不能很好地利用镜头的视野；如果镜头尺寸比摄像机C C D靶面尺寸小时，将发生“隧道效应”，即图像有圆形的黑框，像在隧道里拍的一样。

监控相机一般都比较小，甚至小于1/3英寸；工业相机稍微大一些，一般1/2英寸到1英寸不等；传统的135相机底片比当前的一般感光芯片都大，36mm×24mm（1.4英寸×0.9英寸），画面对角线长度为43mm（1.7英寸），即是1.7英寸的，120中幅相机，其感光面尺寸有三种：45×60mm、60×60mm和90×60mm，可见画幅更大。

三．镜头的光圈，F值

光圈的主要作用是通过控制镜头光量的大小满足成像所需的合适照度。光圈越大，靶面成像照度越大，摄像机输出信号强度越大，信噪比越高。

可以理解，通光孔径越大，通过的光量越大；但我们关心的是到达芯片的光量，而焦距越长，意味着芯片离镜头中心越远，相应的光就越弱，所以，标准光圈大小的参数应该与两个变量有关，孔径，焦距。

光圈系数，即F值即是用来来表征光圈的大小的参数。它等于镜头焦距f和通光孔径D之比。光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。F值的规律是后一个值正好是前一个数值的√2 倍，所以，光圈调大一挡，光量减少2倍。常用值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等几个等级。

一般光圈都可以调节，从而有手动光圈(manual iris)和自动光圈(autoiris)之分。

手动光圈工业镜头是的最简单的工业镜头，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—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，应采用自动光圈工业镜头，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。

自动光圈工业镜头又有两类：一类是将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，镜头本身包含放大器电路，用以将摄像头传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制，这称为视频(VIDEO)驱动型；另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈，称为直流(DC)驱动型，这种镜头只包含电流计式光圈马达，要求摄像头内有放大器电路。

对于各类自动光圈工业镜头，通常还有两项可调整旋钮，一是ALC调节 (测光调节)，有以峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择， 一般取平均测光档；另一个是LEVEL调节(灵敏度)，可将输出图像变得明亮或者暗淡。

四．工业镜头的视角，焦距

焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是有一个大的观测范围重要，如果要看细节，就选择长焦距镜头；如果看近距离大场面，就选择小焦距的广角镜头。

1．焦距的计算：

镜头的焦距，视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下：

f＝wL／W

f：镜头焦距

w：图象的宽度(被摄物体在ccd靶面上成象宽度)

W：被摄物体宽度

L：被摄物体至镜头的距离

高度可以类比。

2．视场角的计算：

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

ωH：水平视场角

ωV：垂直视场角

f：镜头的焦距

h：摄像机靶面的水平宽度

v：摄像机靶面的垂直高度

W：最大可见物体宽度的一半

H：最大可见物体高度的一半

L：被摄物体至镜头的距离

垂直视角可以类比。

3．镜头按视角分类

镜头按视角分可以分为：

标准镜头：视角3 0度左右，在1／2英寸CCD摄象机中，标准镜头焦距定为1 2 mm，在1／3英寸C CD摄像机中，标准镜头焦距定为8 mm。之所以称30度视角的镜头是标准镜头是因为人眼的有效视角大概是30度。

广角镜头：视角9 0度以上，焦距可小于几毫米，可提供较宽广的视景。

远摄镜头：视角2 0度以内，焦距可达几米甚至几十米，此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大，但使观察范围变小。

4．镜头按焦距分类

镜头从焦距上分为：

短焦距镜头：因入射角较宽，可提供一个较宽广的视野。

中焦距镜头：标准镜头，焦距的长度视C C D的尺寸而定。

长焦距镜头：因入射角较狭窄，故仅能提供狭窄视景，适用于长距离监视。

按焦距分类和按视角分类是对应的。

5．定焦镜头和变焦镜头

有些镜头的焦点是固定的，而有些镜头的焦点是可变的，这分别称为定焦镜头和变焦镜头。

变焦镜头也常被成为变倍镜头，它的焦距连续可变，即可将远距离物体放大，同时又可提供一个宽广视景，使监视范围增加。变焦镜头有手动伸缩镜头和自动伸缩镜头两大类。典型的光学放大规格有6倍(6.0-36mm，F1.2)、8倍(4．5-36mm，F1．6)、1 0倍(8．0-80mm，F1．2)、12倍(6.0-72mm，F1．2)、2 0倍(10-200mm，F1.2)等档次，并以电动伸缩镜头应用最普遍。

五．镜头的分辨率

描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变，但对用户而言，需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率，以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位。

六．特殊镜头

在特殊的安全镜头族群中，值得一提的品种包括光纤镜头、管道镜头、分像镜头、拐角镜头、中继镜头、自动聚焦镜头、安定镜头和长程镜头。这些镜头各有所长，可以实现普通镜头所无法完成的特殊功能。

1．光纤镜头和管道镜头

设计难度较大的监控系统中往往需要使用粘连光纤束镜头。与通常用于视频信号传输的单模光纤和多模光纤不同，这种光纤束是由上千根单独的玻璃光纤粘连在一起组成的。它可以将物镜得到的光学图像传输到十几厘米到几米远的地方。中继镜头从光纤束处理到图像后，再将其传送到摄像机的传感器上。通过光纤镜头取得的画面，其质量不如通过普通镜头取得的画面好。因此，这种镜头只能用在普通镜头无法解决问题的场合。光纤镜头分为刚性和柔性两种。

高分辨率（450线）的粘连光纤束中有几万根玻璃纤维，光学图像就是通过这些纤维从一端传输到另一段，每根光纤在光纤束两端的几何阵列中所处的位置完全相同。完整的“光纤镜头”除了包括这个光纤束外，还需要在前面加装成像用的物镜，在后端加装传递图像用的中继镜头（以便图像会聚到传感器上）。光纤镜头通常用于穿过厚墙对隔壁房间的监视，有时也用在必须将摄像机与镜头分开一端距离的场合。

另一种常用的长距离采光镜头是管道（borescope）镜头。管道镜头由直径为0.04～0.5英寸、长6～30英寸的通光管、杆状镜头和多联式中继镜头共同组成。中间的镜头用于将物镜形成的光学图像传送给后面的镜头，进而传送到摄像机传感器上。单杆镜头使用的是独特的GRIN（graded index，渐变折射率）玻璃杆，光学图像在通过它之间能够重新聚焦。由于杆和镜头的直径都很小，只有少量的光线能透入摄像机内部，因此这种系统的光学速度较慢，通常为f/11和f/30。这一特性使得管道镜头只能与光线充足的场景和高灵敏度的摄像机配用。因为管道镜头中使用的都是玻璃透镜，它的图像质量比光纤镜头要好一些。

2．分像镜头

能够将两个单独场景同时成像的同一摄像机上的镜头称作分像镜头或双焦镜头。这种镜头使用两个分开的透镜或双焦镜头。这种镜头使用两个分开的透镜获取两个场景的图像后，再将其投射到摄像机的传感器上，其中的两个透镜焦距可能相同，也可能不同；可能朝向同一方向，也可能朝向不同的方向。

分像镜头的转接器可以起到同样的作用。除了用于连接摄像机的接口外，转接器上还有两个C型接口或CS接口，可以连接两个普通镜头，从而实现“一机两景”。根据双焦镜头设计的不同，最后得到的双景图像可以是左右分割的，也可以是上下分割的。所以定焦镜头、变焦镜头、针孔镜头或其它镜头，只要其接口是C型或CS型的，就都可以用到这种转换器上。侧镜位置安装的可调式反射镜可以改变镜头观察的方向。在侧镜旁边再加装一只反射镜，就可以让两中镜头对准同一场景。在这种情况下，如果前镜使用广角镜头（6.5mm），侧镜使用狭角镜头（75mm），就构成一个双焦镜头，与之相连的摄像机可以同时看到同一场景的广角和狭角的图像。在左右分割时，每个镜头的水平视场都变为正常情况下的1/2（每个镜头只能使用传感器的一半宽度）。将分像镜头旋转90°，可以得到上下分割的图像。双焦镜头在监视器上形成的图像是倒转的，因此需要将摄像机倒转过来安装。

三向光学分像镜头可以同时观察三个不同的场景。三分镜头主要用于观察丁字型走廊，但是也可以作其它用途。使用三分镜头，可以同时观察三个不同的场景（放大倍数可以相同，也可以不同），而这三个场景是显示在同一监视器上。这样，我们就节省了两只摄像机、两台监视器和一只画面分割器。每个场景占据在监视器屏幕的1/3面积。镜头上的可调光学器件允许分别调节三个物镜的仰角，以适用长短不同的走廊需要（长走廊镜头接近水平，短走廊需要镜头略微冲下）。与双分镜头一样，摄像机也要倒转安装。

3．拐角镜头

拐角镜头使得摄像机可以做贴墙式的安装，即摄像机与轴线与墙面相平行。

在墙壁后面的空间比较有限的场合，像柜员机、天花板或升降机内，拐角镜头将会是一个很好的解决方案。拐角光学镜头使得2.6mm镜头的轴线变得与摄像机的轴线相垂直，因为2.6mm镜头的视场可以达到110°，所以使用反光镜来解决这个问题将是不可能的。因为平面反射镜无法将全部场景反射到摄像机镜头上。这种黑边（vignitting）现象将使得我们无法在监视器上看到场景的部分边缘。

拐角转接器可以套接所有焦距的镜头，但镜头必须带有C型或CS型的接口。

4．中继镜头

中继镜头用来将镜头或粘连光纤束聚焦的光学图像传送到摄像机传感器上。这种镜头必须与其它物镜一起使用，其自身不能成像。在与光纤镜头配用时，它将光纤束输出端上面的图像投射到传感器上。与分像镜头或拐角镜头配用时，它也可以将双景图像或改向的图像投射到传感器上。中继镜头可以被看作是一

个没有放大倍数的附加镜头，在与普通镜头配用时，它的主要作用是使得镜头和传感器之间的距离适当增大。

5．自动聚焦镜头

自动聚焦镜头在安全方面的应用相当有限，这是因为它的价格比普通的手动调焦镜头要昂贵。自动聚焦镜头主要用于便携式家用摄录机。这种机器所使用的镜头都是变焦镜头。

自动聚焦技术共有三种：主动红外测距、超声波定位和固态三角测量。

主动红外自动聚焦使用的是三角测量原理。镜头中有一个发光二极管，可以向变焦镜头场景中心区域发射一小束红外线。接收透镜将反射回来的红外光投射到镜头旁的两个硅探头上。镜头内的微处理器电路再根据镜头聚焦环的物理位置和CCD传感器上得来的数据计算出目标与摄像机之间的距离。之后，微处理器电路会控制变焦镜头上的电动聚焦环，使中心目标清晰地聚焦在传感器上。

自动聚焦镜头不能适用于所有的工作场合。如果目标不反射红外光，或目标将所有红外光都反射到了其它方向，从而致使摄像机接收不到回光，或目标超出了系统的工作范围，都将无法触发系统的自动聚焦功能。

6．安定镜头

在安全系统中，当镜头和摄像机在观察场景时晃动或震动时，就需要使用安定镜头。安定镜头广泛应用在手提式摄录机、车载摄像机、空中平台摄像机和船载摄像机系统中。安定镜头可以抵消摄像机因风吹而引起的严重晃动。这种镜头系统内部设有活动光学器件，并通过这种器件的反向移动来抵消摄像机和场景之间相对移动。

fwidthdWidthccddHeightccd，fheight

WidthobjWidthccdHeightobjHeightccd其中d为拍摄距离。两个焦距中较小的值为合适的镜头焦距。镜头的实际焦距应低于计算值。

远心镜头：

1. 物方远心镜头—— 物方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，当孔径光阑放在像方焦平面上时，即使物距发生改变，像距也发生改变，但像高并没有发生改变，即测得的物体尺寸不会变化。 物方远心镜头用于工业精密测量，畸变极小。高性能的可以达到无畸变。

2.像方远心镜头——

像方远心镜头，通过在物方焦平面上放置孔径光阑，使像方主光线平行于光轴，从而虽然CCD芯片的安装位置有改变，在CCD芯片上投影成像大小不变。

像方远心镜头的优点是，使相机的芯片获得均匀的光线，因为只有平行于光轴的光线才能入射在CCD/CMOS芯片前面的微型镜片上。从而使图像不会出现阴影。

3.两侧远心镜头——此镜头兼于上面两种镜头的优点。

在工业图像处理/机器视觉中，一般只使用物方远心镜头！偶尔也有使用两侧远心镜头的，（当然价格更高）。而在工业图像处理/机器视觉这个领域里，像方远心镜头一般来说不会起作用的，因此这个行业基本是不用它的。

目前国际上生产像方远心镜头的厂家只有一个，生产两侧远心镜头的只有两个（都是德国的），可见像方和两侧远心镜头的重要性了。

而两侧远心镜头的重要性目前还是专业人员一直在争论的。据我所知，那个两侧远心镜头的销售量是很低的。像方远心镜头就更不用说了。

图像清晰的边缘是通过物方远心镜头来实现的。估计像方远心镜头也有这个功能，它地特点是使画面的亮度更均匀，其应用范围比如医学图像处理（不过至今医学领域用物方还是比较多的）。

如果使用高档次的物方远心镜头的话，图像的均匀亮度是完全可以实现的。

2024年1月7日发(作者：之春娇)

光学变焦是数码相机镜头的一个极为重要的参数，它和数码变焦存在着本质上的区别。

两者的区别不但体现出它们的工作原理上，在最终的成像效果上，两者也会有明显的差别。单单从成像质量来说，光学变焦比数码变焦优秀很多。但是数码变焦由于成本低廉，也广泛配备在消费级数码相机中。而且，随着图象处理技术的提高，数码变焦的效果也有所改善，例如索尼SmartZoom数码变焦技术，就是一个较为实用的数码变焦技术。

光学变焦与数码变焦的各自原理

光学变焦

要了解光学变焦的原理，首先我们来看看镜头成像的过程。在我们的初中物理课上，老师都会给我们做放大镜成像的试验，燃烧的蜡烛通过放大镜会在白板上清晰地投影出来，同时随着放大镜的前后移动，燃烧的蜡烛在白板上影像的大小会发生变化。这既是相机成像的原理，也是光学变焦的原理所在。相机的光学变焦就是通过改变镜头中焦点的位置，来改变进入镜头光线的角度，从而使同一距离的被摄物体在感光元件上变得更大，或者让更远的物体能够更清晰得聚焦在感光元件上。

光学变焦就是通过移动镜头内部镜片来改变焦点的位置，改变镜头焦距的长短，并改变镜头的视角大小，从而实现影像的放大与缩小。上图中，红色三角形较长的直角边就是相机的焦距。当改变焦点的位置时，焦距也会发生变化。例如将焦点向成像面反方向移动，则焦距会变长，图中的视角也会变小。这样，视角范围内的景物在成像面上会变得更大。这就是光学变焦的原理。

我们平时接触的数码相机光学变焦的焦距，它实际上就是上图中焦距的长度。例如佳能A95的3倍光学变焦镜头，它的焦距为7.8-23.4mm，指的就是焦距长度能够变化的范围，实际上也就是被摄物体能够放大的范围。而等效焦长是将上述焦距换算为传统35mm相机的焦距，从而变得更加直观，这个问题就不在我们的讨论范围了。

数码变焦

数码变焦在原理上理解起来就比较复杂一些。就现在的主流技术来看，数码变焦是利用影像处理器将感光元件中某一区域的感光单元所获得的图象信息进行单独的放大。但是，这种单纯的放大事实上和图象处理软件中的局部放大是完全一样的，完全没有任何使用价值。现在，许多厂商的数码相机内部已经含有图象演算软件，它可以在图象放大，细节损失的同时，将每个像素周边的像素特点进行分析，并用分析所得的数据在该像素周边增加像素，实际上就是所谓的“插补”成像。这在一定程度上可以减轻局部放大对图象质量的影像，但事实上，这种减轻往往是非常有限的。

我们将数码相机的成像结构进行简化可以获得上图。在数码变焦时，被摄物体通过镜头在感光元件上的投影成像的大小并没有改变。只是，相机内部软件通过对感光元件中央部分的像素进行截取，并且使用内置软件进行放大以及插补，从而达到将影像放大的效果。这样的过程就是我们在数码相机中常看到的数码变焦。

光学变焦和数码变焦的优势和缺陷

光学变焦

正如上面的分析，光学变焦是利用镜头内透镜的移动来改变焦距，从而实现影像的放大与缩小。这种图象的放大是通过物理学原理，在放大过程中，感光元件从被摄体中直接感光并形成影像，而没有经过其他任何的电子放大处理。并且在这个过程中，感光元件都是全幅面成像，图象能够保持原有的最高分辨率。因此，通过光学变焦所获得的影像不但使被摄物体变大了，同时也相对更加清晰。这是光学变焦的主要优势。

另外，通过光学变焦，我们还可以获得景深更加小的图片。在拍摄人像等题材时，我们往往使用中长焦段，这样除了能够将人物“拉近”、“放大”，变得更加清晰以外，同时背景还可以获得更好的虚化，从而突出主体人物。

但是，光学变焦也有自己的劣势。一方面，光学变焦镜头相比非光学变焦镜头来说，制造成本要高很多。另外，光学变焦镜头在进行长焦拍摄时，由于身体或者手部震动而对画面的影响就将会更加大，因此长焦拍摄时画面模糊的几率往往更加大。但事实上，光学变焦由于其优势明显，现在已经广泛应用在消费级数码相机中了。

数码变焦

数码变焦是通过软件运算来实现影像的局部放大，因此我们可以看到它几乎不会增加任何硬件设施，只需要在硬件中固化软件就可以了。数码变焦的这种特征使得它极少甚至无需增加相机制造的成本。因此，配备数码变焦并不会对数码相机的售价产生影响。在某些无法进行光学变焦的数码相机中，通过配备数码变焦可以在不增加售价时具有更大的实用性。

而且，数码变焦实际使用时，并不会存在光学变焦在高倍率变焦时抖动加剧的问题。另外，数码变焦比光学变焦更加省电。还有一个鲜为人知的事实是，经过数码变焦以后，图象的分辨率虽然和数码变焦前一样，但是它单张画面的体积大大缩小。这事实上也可以减少存储卡的负担。

当然，数码变焦的负面问题是非常明显，也是非常致命的。它是通过后期的放大来实现影像的放大，虽然某些厂商的数码变焦技术会通过独特的插补运算来提高变焦后的图象质量，但是最后的图象效果仍然是模糊不清，特别是高倍率数码变焦时，效果将会更加惨不忍睹（如上图）。

光学变焦和数码变焦的具体应用

光学变焦

既然光学变焦的优势如此明显，它在数码相机中的应用当然也就非常普及了。事实上，现在市面上的消费级数码相机中，百分之九十五以上的机型都配备了光学变焦。而且随着技术的发展以及镜头制作成本的降低，10倍、12倍甚至15倍光学变焦的消费级数码相机已经出现在市场上了。但是，一般来说，光学变焦倍率越大，价格往往就越高。而且，对于长焦镜头来说，焦距越大，镜头的成像质量往往就会有所降低。

镜头焦距越长，景物的成像也越大，同时背景也能够得到很好的虚化

事实上，为了兼顾实用、成本以及成像质量等多方面的因素，厂商在家用数码相机市场上主推的仍然是3倍光学变焦镜头。这一类镜头的焦距往往囊括了广角风景到中焦人像的种种拍摄题材，对于家庭用户来说是比较适合的选择。

数码变焦

在消费级数码相机中，数码变焦的应用比光学变焦更加广泛。它无需增加硬件，应用成本低廉，事实上现在几乎所有的消费级数码相机都配备了数码变焦功能。而数码变焦在定焦镜头中的应用不但可以祢补无法直接进行影像放大的缺陷，同时也不会增加相机的制作成本。因此数码变焦技术在定焦距镜头中往往就显得比较重要了。

在具体的数码变焦技术上，各个厂家可谓各施各法，各显神通。例如索尼的SmartZoom

智能数码变焦，笔者觉得索尼在宣传时做得太过了。事实上它就是在菜单中调节相片所需的分辨率，只是转换一种操作方式，实际用处和其他的数码变焦相差不大。相反，佳能在数码变焦技术上的开发算是比较好的。

佳能的时尚机型IXUS i主要靠轻薄为卖点，因此取消了光学变焦。虽然它采用定焦镜头，但是同时配备了5.7倍的数码变焦。它的实际效果我们可以通过下面的图片来观察：

从上面的图片中我们可以看到，事实上数码变焦在定焦镜头中的应用还是非常必要的。另外，从最后两张图片的对比来看，我们可以明显注意到：在数码变焦和图象处理软件的局部放大之间，质量差别确实非常明显的，数码变焦的图象质量要好很多。也就是说，数码变焦还是具有一定的实用性的。

此外，佳能在IXUS 700等机型上还配备了数码微距的功能，事实上就是在微距模式下实现数码变焦。只是IXUS 700在此模式下，镜头焦距固定在广角端37mm，无法进行光学变焦。实际拍摄效果上，和上述的结果一样，它的效果要比图象软件局部放大要好很多。但是，就平时观赏来说，建议用户还是不要使用高倍率的数码变焦。

总结：光学变焦和数码变焦的选择

就现在的消费级数码相机市场来说，绝大部分数码相机已经配备了可以进行光学变焦的镜头。联系上述关于光学变焦的优势，我们无疑看到它在成像质量的提高上具有极大的作用。而且我们也可以看到，长焦数码相机市场现在也逐渐火热起来，12倍甚至15倍光学变焦的机型也在市场上流行起来。对于数码相机选购资金预算在1500元以上的消费者来说，选购一款具有光学变焦的数码相机是一个比较好的选择。

在市场上，现今仍然有少量机型并没有配备光学变焦镜头，用户仅能够通过数码变焦来实现图象的放大，但是这样的结果是拍摄的影像质量大大下降。例如现在市面上的佳能IXUS

i以及IXUS i5，前者的售价为1900元，后者的售价为2700元，两者的设计虽然极为轻巧时尚，但售价同比相当昂贵，消费者选购时需要慎重考虑。而低端的柯达CX7300以及三星301在价格上比较低，仅为900元左右，两者都配备了3倍数码变焦以及300万像素CCD。价格上具有极大吸引力，同时外观时尚轻巧，做工也比较精致，对于不在意光学变焦的年轻时尚一族来说，这两款机型也是非常经济的选择。

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机器视觉中使用镜头的计算方式

1、WD 物距 工作距离（Work Distance，WD）。

2、FOV 视场 视野（Field of View，FOV）

3、DOV 景深（Depth of Field）。

4、Ho：视野的高度

5、Hi：摄像机有效成像面的高度（Hi来代表传感器像面的大小）

6、PMAG：镜头的放大倍数

7、f：镜头的焦距

8、LE：镜头像平面的扩充距离

相机和镜头选择技巧

1、相机的主要参数：

感光面积SS（Sensor Size）

2、镜头的主要参数：

焦距FL（Focal Length）

最小物距Dmin（minimum Focal Distance）

3、其他参数：

视野FOV（Field of View）

像素pixel

FOVmin=SS（Dmin/FL）

如：SS=6.4mm，Dmin=8in，FL=12mm pixel=640*480

则：FOVmin=6.4（8/12）=4.23mm 4.23/640=0.007mm

如果精度要求为0.01mm，1pixels=0.007mm<0.01mm

结论：可以达到设想的精度

光学镜头的放大率

影像大小相对于物体的放大率

β=y’/y

光学放大率

=b/a

=NA/NA’

=CCD相机元素尺寸/视场实际尺寸

电子放大率

电子放大率是用相机拍照成像在CCD上的像呈现在显示器的放大倍数

显示器放大率是被拍物体通过镜头成像显示在显示器上的放大倍数

放 大 率 显示器放大率

显示器放大率＝（光学放大率）×（电子放大率）

例子：光学放大率＝0. 2X, CCD大小1/2（对角线长8mm）,显示器14〃

电子放大率＝14×25.4/8＝44.45（倍）

显示器放大率＝0.2×44.45＝8.89（倍） （1寸＝25.4mm）

视场是镜头与CCD相机连接时物体可被看见的范围大小

视场的大小是：（CCD格式大小）/（光学放大率）

视场 例子：光学放大率＝0.2X，CCD1/2〃（4.8mm长，6.4mm宽）

视场大小 ：长＝4.8/0.2＝24（mm）

宽＝6.4/0.2＝32（mm）

工业镜头的基本参数

工业镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像；就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的。

当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物就变得模糊不清；摄像头与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像头的后焦点，改变CCD芯片与工业镜头基准面的距离(相当于调整人眼晶状体的位置)，可以将模糊的图像变得清晰。

由此可见，镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道：设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距，施工人员经常进行现场调试，其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。

一．工业镜头的安装尺寸，接口

所有的摄象机镜头均是螺纹口的，CCD摄象机的镜头安装有两种工业标准，即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。

C安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是17．526mm。

C S安装座：特种C安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是12．5mm。如果要将一个C安装座镜头安装到一个C S安装座摄象机上时，则需要加装一个5mm厚的接圈。

二．镜头的尺寸

以摄象机镜头尺寸分镜头可以分为1英寸、2／3英寸、1／2英寸、1／3英寸、1／4英寸、1／5英寸等规格，下面是一个简单的芯片尺寸规格表：

格式 1英寸

高度

9.6mm

2/3英寸 1/2英寸 1/3英寸 1/4英寸

6.6 mm 4.8 mm 3.6 mm 2.4 mm

宽度

12.8 mm 8.8 mm 6.4 mm 4.8 mm 3.2 mm

摄像机镜头规格应视摄象机的C C D尺寸而定，两者应相对应。大概：

★ 摄像机的C C D靶面大小为1／2英寸时，镜头应选1／2英寸。

★ 摄像机的C CD靶面大小为1／3英寸时，镜头应选1／3英寸。

★ 摄像机的C C D靶面大小为1／4英寸时，镜头应选1／4英寸。

如果镜头尺寸比摄像机C C D靶面尺寸大时，将使图像视野比镜头视野小，即不能很好地利用镜头的视野；如果镜头尺寸比摄像机C C D靶面尺寸小时，将发生“隧道效应”，即图像有圆形的黑框，像在隧道里拍的一样。

监控相机一般都比较小，甚至小于1/3英寸；工业相机稍微大一些，一般1/2英寸到1英寸不等；传统的135相机底片比当前的一般感光芯片都大，36mm×24mm（1.4英寸×0.9英寸），画面对角线长度为43mm（1.7英寸），即是1.7英寸的，120中幅相机，其感光面尺寸有三种：45×60mm、60×60mm和90×60mm，可见画幅更大。

三．镜头的光圈，F值

光圈的主要作用是通过控制镜头光量的大小满足成像所需的合适照度。光圈越大，靶面成像照度越大，摄像机输出信号强度越大，信噪比越高。

可以理解，通光孔径越大，通过的光量越大；但我们关心的是到达芯片的光量，而焦距越长，意味着芯片离镜头中心越远，相应的光就越弱，所以，标准光圈大小的参数应该与两个变量有关，孔径，焦距。

光圈系数，即F值即是用来来表征光圈的大小的参数。它等于镜头焦距f和通光孔径D之比。光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。F值的规律是后一个值正好是前一个数值的√2 倍，所以，光圈调大一挡，光量减少2倍。常用值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等几个等级。

一般光圈都可以调节，从而有手动光圈(manual iris)和自动光圈(autoiris)之分。

手动光圈工业镜头是的最简单的工业镜头，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—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，应采用自动光圈工业镜头，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。

自动光圈工业镜头又有两类：一类是将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，镜头本身包含放大器电路，用以将摄像头传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制，这称为视频(VIDEO)驱动型；另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈，称为直流(DC)驱动型，这种镜头只包含电流计式光圈马达，要求摄像头内有放大器电路。

对于各类自动光圈工业镜头，通常还有两项可调整旋钮，一是ALC调节 (测光调节)，有以峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择， 一般取平均测光档；另一个是LEVEL调节(灵敏度)，可将输出图像变得明亮或者暗淡。

四．工业镜头的视角，焦距

焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是有一个大的观测范围重要，如果要看细节，就选择长焦距镜头；如果看近距离大场面，就选择小焦距的广角镜头。

1．焦距的计算：

镜头的焦距，视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下：

f＝wL／W

f：镜头焦距

w：图象的宽度(被摄物体在ccd靶面上成象宽度)

W：被摄物体宽度

L：被摄物体至镜头的距离

高度可以类比。

2．视场角的计算：

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

ωH：水平视场角

ωV：垂直视场角

f：镜头的焦距

h：摄像机靶面的水平宽度

v：摄像机靶面的垂直高度

W：最大可见物体宽度的一半

H：最大可见物体高度的一半

L：被摄物体至镜头的距离

垂直视角可以类比。

3．镜头按视角分类

镜头按视角分可以分为：

标准镜头：视角3 0度左右，在1／2英寸CCD摄象机中，标准镜头焦距定为1 2 mm，在1／3英寸C CD摄像机中，标准镜头焦距定为8 mm。之所以称30度视角的镜头是标准镜头是因为人眼的有效视角大概是30度。

广角镜头：视角9 0度以上，焦距可小于几毫米，可提供较宽广的视景。

远摄镜头：视角2 0度以内，焦距可达几米甚至几十米，此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大，但使观察范围变小。

4．镜头按焦距分类

镜头从焦距上分为：

短焦距镜头：因入射角较宽，可提供一个较宽广的视野。

中焦距镜头：标准镜头，焦距的长度视C C D的尺寸而定。

长焦距镜头：因入射角较狭窄，故仅能提供狭窄视景，适用于长距离监视。

按焦距分类和按视角分类是对应的。

5．定焦镜头和变焦镜头

有些镜头的焦点是固定的，而有些镜头的焦点是可变的，这分别称为定焦镜头和变焦镜头。

变焦镜头也常被成为变倍镜头，它的焦距连续可变，即可将远距离物体放大，同时又可提供一个宽广视景，使监视范围增加。变焦镜头有手动伸缩镜头和自动伸缩镜头两大类。典型的光学放大规格有6倍(6.0-36mm，F1.2)、8倍(4．5-36mm，F1．6)、1 0倍(8．0-80mm，F1．2)、12倍(6.0-72mm，F1．2)、2 0倍(10-200mm，F1.2)等档次，并以电动伸缩镜头应用最普遍。

五．镜头的分辨率

描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变，但对用户而言，需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率，以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位。

六．特殊镜头

在特殊的安全镜头族群中，值得一提的品种包括光纤镜头、管道镜头、分像镜头、拐角镜头、中继镜头、自动聚焦镜头、安定镜头和长程镜头。这些镜头各有所长，可以实现普通镜头所无法完成的特殊功能。

1．光纤镜头和管道镜头

设计难度较大的监控系统中往往需要使用粘连光纤束镜头。与通常用于视频信号传输的单模光纤和多模光纤不同，这种光纤束是由上千根单独的玻璃光纤粘连在一起组成的。它可以将物镜得到的光学图像传输到十几厘米到几米远的地方。中继镜头从光纤束处理到图像后，再将其传送到摄像机的传感器上。通过光纤镜头取得的画面，其质量不如通过普通镜头取得的画面好。因此，这种镜头只能用在普通镜头无法解决问题的场合。光纤镜头分为刚性和柔性两种。

高分辨率（450线）的粘连光纤束中有几万根玻璃纤维，光学图像就是通过这些纤维从一端传输到另一段，每根光纤在光纤束两端的几何阵列中所处的位置完全相同。完整的“光纤镜头”除了包括这个光纤束外，还需要在前面加装成像用的物镜，在后端加装传递图像用的中继镜头（以便图像会聚到传感器上）。光纤镜头通常用于穿过厚墙对隔壁房间的监视，有时也用在必须将摄像机与镜头分开一端距离的场合。

另一种常用的长距离采光镜头是管道（borescope）镜头。管道镜头由直径为0.04～0.5英寸、长6～30英寸的通光管、杆状镜头和多联式中继镜头共同组成。中间的镜头用于将物镜形成的光学图像传送给后面的镜头，进而传送到摄像机传感器上。单杆镜头使用的是独特的GRIN（graded index，渐变折射率）玻璃杆，光学图像在通过它之间能够重新聚焦。由于杆和镜头的直径都很小，只有少量的光线能透入摄像机内部，因此这种系统的光学速度较慢，通常为f/11和f/30。这一特性使得管道镜头只能与光线充足的场景和高灵敏度的摄像机配用。因为管道镜头中使用的都是玻璃透镜，它的图像质量比光纤镜头要好一些。

2．分像镜头

能够将两个单独场景同时成像的同一摄像机上的镜头称作分像镜头或双焦镜头。这种镜头使用两个分开的透镜或双焦镜头。这种镜头使用两个分开的透镜获取两个场景的图像后，再将其投射到摄像机的传感器上，其中的两个透镜焦距可能相同，也可能不同；可能朝向同一方向，也可能朝向不同的方向。

分像镜头的转接器可以起到同样的作用。除了用于连接摄像机的接口外，转接器上还有两个C型接口或CS接口，可以连接两个普通镜头，从而实现“一机两景”。根据双焦镜头设计的不同，最后得到的双景图像可以是左右分割的，也可以是上下分割的。所以定焦镜头、变焦镜头、针孔镜头或其它镜头，只要其接口是C型或CS型的，就都可以用到这种转换器上。侧镜位置安装的可调式反射镜可以改变镜头观察的方向。在侧镜旁边再加装一只反射镜，就可以让两中镜头对准同一场景。在这种情况下，如果前镜使用广角镜头（6.5mm），侧镜使用狭角镜头（75mm），就构成一个双焦镜头，与之相连的摄像机可以同时看到同一场景的广角和狭角的图像。在左右分割时，每个镜头的水平视场都变为正常情况下的1/2（每个镜头只能使用传感器的一半宽度）。将分像镜头旋转90°，可以得到上下分割的图像。双焦镜头在监视器上形成的图像是倒转的，因此需要将摄像机倒转过来安装。

三向光学分像镜头可以同时观察三个不同的场景。三分镜头主要用于观察丁字型走廊，但是也可以作其它用途。使用三分镜头，可以同时观察三个不同的场景（放大倍数可以相同，也可以不同），而这三个场景是显示在同一监视器上。这样，我们就节省了两只摄像机、两台监视器和一只画面分割器。每个场景占据在监视器屏幕的1/3面积。镜头上的可调光学器件允许分别调节三个物镜的仰角，以适用长短不同的走廊需要（长走廊镜头接近水平，短走廊需要镜头略微冲下）。与双分镜头一样，摄像机也要倒转安装。

3．拐角镜头

拐角镜头使得摄像机可以做贴墙式的安装，即摄像机与轴线与墙面相平行。

在墙壁后面的空间比较有限的场合，像柜员机、天花板或升降机内，拐角镜头将会是一个很好的解决方案。拐角光学镜头使得2.6mm镜头的轴线变得与摄像机的轴线相垂直，因为2.6mm镜头的视场可以达到110°，所以使用反光镜来解决这个问题将是不可能的。因为平面反射镜无法将全部场景反射到摄像机镜头上。这种黑边（vignitting）现象将使得我们无法在监视器上看到场景的部分边缘。

拐角转接器可以套接所有焦距的镜头，但镜头必须带有C型或CS型的接口。

4．中继镜头

中继镜头用来将镜头或粘连光纤束聚焦的光学图像传送到摄像机传感器上。这种镜头必须与其它物镜一起使用，其自身不能成像。在与光纤镜头配用时，它将光纤束输出端上面的图像投射到传感器上。与分像镜头或拐角镜头配用时，它也可以将双景图像或改向的图像投射到传感器上。中继镜头可以被看作是一

个没有放大倍数的附加镜头，在与普通镜头配用时，它的主要作用是使得镜头和传感器之间的距离适当增大。

5．自动聚焦镜头

自动聚焦镜头在安全方面的应用相当有限，这是因为它的价格比普通的手动调焦镜头要昂贵。自动聚焦镜头主要用于便携式家用摄录机。这种机器所使用的镜头都是变焦镜头。

自动聚焦技术共有三种：主动红外测距、超声波定位和固态三角测量。

主动红外自动聚焦使用的是三角测量原理。镜头中有一个发光二极管，可以向变焦镜头场景中心区域发射一小束红外线。接收透镜将反射回来的红外光投射到镜头旁的两个硅探头上。镜头内的微处理器电路再根据镜头聚焦环的物理位置和CCD传感器上得来的数据计算出目标与摄像机之间的距离。之后，微处理器电路会控制变焦镜头上的电动聚焦环，使中心目标清晰地聚焦在传感器上。

自动聚焦镜头不能适用于所有的工作场合。如果目标不反射红外光，或目标将所有红外光都反射到了其它方向，从而致使摄像机接收不到回光，或目标超出了系统的工作范围，都将无法触发系统的自动聚焦功能。

6．安定镜头

在安全系统中，当镜头和摄像机在观察场景时晃动或震动时，就需要使用安定镜头。安定镜头广泛应用在手提式摄录机、车载摄像机、空中平台摄像机和船载摄像机系统中。安定镜头可以抵消摄像机因风吹而引起的严重晃动。这种镜头系统内部设有活动光学器件，并通过这种器件的反向移动来抵消摄像机和场景之间相对移动。

fwidthdWidthccddHeightccd，fheight

WidthobjWidthccdHeightobjHeightccd其中d为拍摄距离。两个焦距中较小的值为合适的镜头焦距。镜头的实际焦距应低于计算值。

远心镜头：

1. 物方远心镜头—— 物方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，当孔径光阑放在像方焦平面上时，即使物距发生改变，像距也发生改变，但像高并没有发生改变，即测得的物体尺寸不会变化。 物方远心镜头用于工业精密测量，畸变极小。高性能的可以达到无畸变。

2.像方远心镜头——

像方远心镜头，通过在物方焦平面上放置孔径光阑，使像方主光线平行于光轴，从而虽然CCD芯片的安装位置有改变，在CCD芯片上投影成像大小不变。

像方远心镜头的优点是，使相机的芯片获得均匀的光线，因为只有平行于光轴的光线才能入射在CCD/CMOS芯片前面的微型镜片上。从而使图像不会出现阴影。

3.两侧远心镜头——此镜头兼于上面两种镜头的优点。

在工业图像处理/机器视觉中，一般只使用物方远心镜头！偶尔也有使用两侧远心镜头的，（当然价格更高）。而在工业图像处理/机器视觉这个领域里，像方远心镜头一般来说不会起作用的，因此这个行业基本是不用它的。

目前国际上生产像方远心镜头的厂家只有一个，生产两侧远心镜头的只有两个（都是德国的），可见像方和两侧远心镜头的重要性了。

而两侧远心镜头的重要性目前还是专业人员一直在争论的。据我所知，那个两侧远心镜头的销售量是很低的。像方远心镜头就更不用说了。

图像清晰的边缘是通过物方远心镜头来实现的。估计像方远心镜头也有这个功能，它地特点是使画面的亮度更均匀，其应用范围比如医学图像处理（不过至今医学领域用物方还是比较多的）。

如果使用高档次的物方远心镜头的话，图像的均匀亮度是完全可以实现的。