視頻監控中使用的光學系統主要是攝像機的攝像鏡頭。這種鏡頭的作用功能主要是收集被攝場景反射來的光線，并將其聚焦到攝像機的傳感器上，以便能“看到”被攝場景。顯然，鏡頭的功能與人眼類似，它們都從被攝場景處收集光線，然后將圖像會聚到眼睛的視網膜和攝像機的傳感器上。其不同之處在于，人眼的焦距是固定的，視網膜的尺寸也是固定的；而攝像機鏡頭的焦距并不固定，圖像傳感器的尺寸也不固定。對沒有附加裝置的人眼來說，視場范圍是固定的；而攝像機的視場卻可在很大范圍內調整。為了適應環境照度的變化，人眼采用可自動調節的虹膜來控制到達視網膜的光線強度來提高成像質量；而攝像機鏡頭則采用自動光圈或手動光圈來調整到達傳感器的光線強度。

鏡頭的光學特性參數，主要包括成像尺寸、焦距、相對孔徑和視場角等，一般在鏡頭所附的說明書中都有注明，下面分別給予說明。

一

成像尺寸

鏡頭一般可分為25.4mm（即1英寸，常以in表示）、16.9mm（2/3 in）、12.7mm（1/2 in）、8.5mm（1/3 in）和6.4mm（1/4 in）等幾種規格，它們分別對應著不同的成像尺寸。選用鏡頭時，應使鏡頭的成像尺寸與攝像機的感光面（如CCD）尺寸大小相吻合。表1列出了幾種常見CCD芯片的感光面尺寸，表中單位為mm。

由表可知，1/2in（12.7mm）的鏡頭應配1/2in感光面的攝像機，當鏡頭的成像尺寸比攝像機感光面的尺寸大時，不會影響成像，但實際成像的視場角要比該鏡頭的標稱視場角小，如圖1（a）所示；而當鏡頭的成像尺寸比攝像機的感光面的尺寸小時，就會影響成像，并表現為成像的畫面四周被鏡筒遮擋，在畫面的四個角上就會出現黑角，如圖1（b）所示。

圖1鏡頭在不同光圈值時的景深覆蓋范圍

由此可知，對1/3in的攝像機，可選用1/3 in、1/2 in和2/3 in的鏡頭；對1/2 in的攝像機，可選用1/2 in、2/3 in的鏡頭，而不能用1/3 in的鏡頭。因為CCD就像人的眼睛，鏡頭就像人們用的眼鏡，眼鏡太小，眼睛就會看不清周邊的事物。

二

焦距

由理想光學系統知，焦距就是光組主點到焦點的距離。由于鏡頭是由許多鏡片組成的，如凸、凹透鏡等，鏡頭的焦距，實際上就是構成鏡頭的組合光組的焦距，即鏡頭的組合光組的中心點到CCD中心點的距離。顯然，鏡頭的焦距的長短，決定了攝取圖像的大小。例如，對同一位置的某物體攝像時，配長焦距鏡頭的攝像機所攝取的這一位置的物體的尺寸就大；反之，短焦距鏡頭所攝取的物體的尺寸就小。圖2為被攝物體在CCD感光面上成像的示意圖。

圖2鏡頭在不同光圈值時的景深覆蓋范圍

鏡頭的焦距就是圖2中所示的f的長度（mm）。

當已知被攝物體的大小及物體到鏡頭的距離時，則可由圖2得出所需鏡頭焦距為

式中，D為鏡頭中心到被攝物體的距離；H和V分別為被攝物體的水平尺寸和垂直尺寸；h和v為CCD感光面的水平尺寸和垂直尺寸。如已知被攝物體距鏡頭中心的距離為3m，物體的高度為1.8m，所用的攝像機CCD感光面為1/2 in，由表1可得，其對應的感光面垂直尺寸為4.8mm。這樣，根據式（1），即可算出所需鏡頭的焦距為

f=vD/V=4.8x3000÷1800=8.02mm

因此，該監控攝像機的鏡頭應選焦距為8mm。

理論上，任何一種鏡頭均可拍攝很遠處的物體，而在固體成像器件感光面上成一很小的像，但當成像小于固體成像器件感光面上的一個像素大小時，便不再能形成被攝物體的像。因此，為能較為清晰地探測到監視范圍內的目標，并實現自動跟蹤，一般要求成在固體成像器件感光面上的目標像，至少要占有3行電視線。所以，在選擇鏡頭的焦距時，一般應以目標在固體成像器件感光面上的成像，至少占有2行以上的電視線。如要能分辨出人物的面部像，它在14 in監視器上至少要占到0.5 in（12.7mm）以上。

三

相對孔徑

為控制通過鏡頭光通量的大小，一般在鏡頭的后部均設置了光闌，如設光闌的有效孔徑為d，因光線折射的關系，則鏡頭實際的有效孔徑為D，將D與焦距，之比定義為相對孔徑Na，即

NA=D/f（2）

物鏡相對孔徑的大小，決定了光學系統的集光能力或像面照度以及物鏡的分辨率，因而影響成像質量。

（1）光圈F值（或F數）。一般，習慣上用相對孔徑的倒數來表示鏡頭光闌的大小

F=f/D （3）

式中，F一般稱為光闌F數，標注在鏡頭光闌調整圈（即光圈）上，其標稱值為1.4、2、2.8、4、5.6、8、11.16、22等序列值，其中每兩個相鄰數值中，后一個數值是前一個數值的2倍。由于像面照度與光闌的平方成正比，所以光闌每變化一檔，像面亮度就變化一倍。F值越小，光闌越大，到達攝像機光敏面的光通量就越大。一般，F值的范圍為1.2~360，前者為最大進光量，后者為最小進光量，最大進光量與最小進光量的范圍差距越大越好。還有1.4~125或1.6-94范圍的鏡頭。F1.2是指最大進光量，用于較暗之處，即夜晚燈光較弱時，鏡頭可以通過較多的光線；F360指最小進光量，用于光線較強（如戶外陽光最亮處）或反射光較強處（如被攝物為白色物體）。為使攝像機能有較佳的影像，就必須使用較大的F值，可以防止過分曝光，因為過分的曝光也是導致影像模糊的原因之一。

總之，F值愈小代表進光量愈大，如F1.2就優于F1.4。在光線較強之處，基本上所有的自動光圈鏡頭，都是利用中性密度光點濾片（Neutral Density Spot Filter）來增加F值的最大值的，但部份鏡頭制造商為降低成本并未安裝此濾片，所以F值的高低是判斷鏡頭品質的重要因素，也直接影響影像的深度。

（2）D/f與物鏡分辨率的關系。由前知，物鏡分辨率是以單位長度（1mm）內可分辨的線條數N來表示。若物鏡在像方焦平面上能分辨開的二線間的最小距離為R（即前述的分辨力），則物鏡在焦平面上每毫米能分辨開的線條數N可得到物鏡分辨率的另一種表示形式，即

當λ=555nm時，則式（4）可變成

N=1447D/f（5）

這是攝影物鏡的理論分辨率，由式（5）可知，它完全由相對孔徑決定。相對孔徑越大，物鏡的分辨率越高。值得提岀的是，式（5）所表示的分辨率是對視場中心而言的。在視場邊緣，分辨率將有所下降，而且由于攝影物鏡一般都存在較大的剩余像差，因此它的實際分辨率要比理論分辨率低。

（3）D/f與像面照度的關系。若被攝景物照度為E。，光學反射系數為γ，根據幾何光學公式可寫出像面（即CCD光敏面）的照度E為

式中，τ為光學系統的透過率；β=h/H為光學系統的垂直放大率，一般攝像時β<<1，因而式（6）可變成

E=1/4Eoγτ（D/f）2（7）

由此可見，像面的照度與相對孔徑的平方成正比。相對孔徑越大，像面照度也越大。但相對孔徑不宜任意增大。因為要設計一個f長D大的像質好的物鏡，技術難度大、造價貴；且D/f過大，尺寸與重量要增大，不適于小型化；此外，D大的物鏡，其f也過長，這樣相對景深要短些。常見的攝影物鏡的相對孔徑為1:4.5~1:2。

（4）景深。即景物的影像的清晰深度，它是光學系統可以清楚觀察到的從近到遠的一段距離。在這段距離內，場景中的物體不論是移近鏡頭，還是移向遠處，都能夠形成清晰的圖像。顯然，我們希望這個距離越大越好；從距鏡頭幾米到距鏡頭幾百米的地方的場景，我們都想看得清清楚楚。在這種情況下，視場中幾乎所有的東西都清晰可見，但實際上做不到。為便于討論景深的性質，由幾何光學可獲得如下的景深的公式，即景深為

式中，Z’為容許的光斑直徑。顯然，景深與焦距相對孔徑D/F或F值有關。相對孔徑越大或F值越?。垂馊υ酱螅?，景深越小；在D/F相同條件下，焦距f越小，景深越大。

短焦距鏡頭（2.7~5mm）的景深較大。這些鏡頭可以生成0.3~30m之間的被攝物的清晰圖像（即使是在小F值下工作也可以）；長焦距鏡頭（50~300mm）的景深較小，它們只能生成較短距離內的清晰圖像。因此，在觀察場景中的不同物體時，往往需要重新調焦。自動光圈鏡頭的自動調整，也意味著影像深度的經常性變化。夜晚時，淺的影像深度最明顯。當鏡頭光圈全打開，景深達最小值時，原本白大在焦距內清楚的物體，就可能會偏離焦點之外了。容許的光斑直徑Z’的大小與光學系統接收器（如感光乳劑、光電成像器件等）的分辨率和對成像的清晰度要求有關。若對清晰度要求低，允許Z’大，景深就越大。

一般，在安裝攝像機并調整焦距以獲得清晰圖像時，通常要求在較大的光圈下進行調整，這樣便于對所監視的目標精確對焦，否則就可能有一定的誤差。對自動光圈鏡頭來說，當光照較強肘，由于光圈會自動縮?。ù藭r景深寬）使被監視的目標較清晰；一旦光照變暗，被監視的目標則由于光圈自動變大（景深變窄）而變得模糊起來。

圖3所示為某款鏡頭在不同光圈值時的景深覆蓋范圍。

圖3鏡頭在不同光圈值時的景深覆蓋范圍

由圖3可見，當光圈值在F16時，處于2~10.5m范圍之內的目標都可以清晰地成像；而當光圈開大到F2時，只有在4~5m范圍之內的目標才可能被清晰地成像顯示。

四

視場角

鏡頭有一個確定的視野（即場景范圍），鏡頭對這個視野的高度和寬度的張角，就稱為視場角。圖像傳感器、鏡頭和場景之間的幾何關系如圖4所示，視場角與鏡頭的焦距f及攝像機中成像器件的敏感面的尺寸（水平尺寸h及錘子尺寸v）的大小有關。

圖4 圖像傳感器、鏡頭和場景之間的幾何關系

利用三角函數公式可列出

即

由此得出鏡頭的水平視場角為

利用相似三角形法則可得出水平視場范圍（即場景寬度）為

同樣，可得出鏡頭的垂直視場角為

同樣，可得出垂直視場范圍（即場景高度）為

由以上公式可知，鏡頭的焦距f越短，其視場角與視場范圍越大；攝像機CCD傳感器尺寸h或v越大，其視場角與視場范圍也越大。如果所選擇的鏡頭的視場角太小，可能會因岀現監視死角而漏監；若所選擇的鏡頭的視場角太大，又可能造成被監視的主體畫面尺寸太小，而難以辨認，且畫面邊緣出現畸變。因此，只有根據具體的應用環境選擇視場角合適的鏡頭，才能保證既不出現監視死角，又能使被監視的主體畫面盡可能大而清晰。

不同焦距鏡頭所對應的視場角示意圖，如圖5所示，其中所用鏡頭均配接1/2in光敏面的CCD攝像機。

圖5 不同焦距鏡頭所對應的視場角

五

透光率

光學系統的透光率（或透過率），反映了光經過該系統之后光能量的損失程度。因為當光線通過光學系統（即鏡頭）時，由于光學鏡頭中鏡片對光的反射與吸收，會使透過鏡頭的光通量受到一定的損失。對攝像系統來說，如果光學系統的透光率低，就會直接影響像面上的照度，因而使用時要增加曝光時間。因此，光學系統的透光率，是衡量光通量通過光學系統后損失程度的一個參數?，F將光學系統的透光率（用τ表示）定義為透過鏡頭的光通量Φ’與射入鏡頭的光通量Φ中的百分比，即

τ=Φ’/Φx100% （12）

一般，光學鏡頭由一組或多組透鏡鏡片構成。顯然，構成鏡頭的透鏡鏡片數越多，其透過鏡頭的光通量損失就越大，因而透光率τ也就越小。目前一般定焦鏡頭的透光率τ可達90%以上，而變焦鏡頭的鏡片數多一些，其透光率τ也能達到85%以上。因此，選擇透光率高的鏡頭，對光通量的損失小一些。如果鏡頭的透光率不高，對光通量的損失就比較大，這時就需要加強對監控場景的照明，或采用高靈敏度的攝像機，或采用大孔徑光闌的鏡頭等。

由于光學零件表面所鍍膜層的選擇性吸收和玻璃材料的選擇性吸收，光的透過率實際上是入射光波長的函數。對像質要求不高的系統，透過率隨波長而變的問題可不予考慮。目前，一般的目視儀器只須檢測白光的透過率，但彩色攝像、彩色電視和多波段照相等光學系統，都應測量光譜透過率。因為如果某些波長光的透過率特別低，則視場里就會看到不應有的帶色現象，即所謂的“泛黃”現象。所以，如某些波長光的透光率相對值過小，則會影響到攝像時的彩色還原效果。因此，光學系統的透光率，也是成像質量的一個重要參數。

審核編輯 ：李倩