第十四章镜头防护罩与云台-Read.doc

第十四章 镜头、防护罩与云台 14.1 镜 头 与摄像机配套的镜头，是实现光电转换、形成图像必不可少的光学部件。这里简单介绍成像的基本概念，镜头主要技术参数的涵义，以及现有产品的大致类型。最后对如何恰当的选配镜头作概要说明。 14.1.1 光学成像的基本概念 光学成像就是通过光学系统把物像映射到传感器的靶面上。在CCD摄像机中，就是通过镜头把外界的景物成像到CCD的受光面上。以镜头分界，实体景物所处空间称物空间或物方，传感器CCD靶面一方称像空间或像方。在靶面上获得清晰的物像，是镜头所要实现的功能。CCD摄像机中所用光学系统的物空间变化很大，但其像空间CCD靶面的位置和物理尺寸却有其特定值。镜头的设计，要考虑物空间的条件（视场范围、照明光的照度、色温）和像空间的要求（镜头接口尺寸及相对靶面的位置、传感器灵敏度、分解力、靶面尺寸），力求接近理想光学系统的状况。理想光学系统，就是物方空间和像方空间满足点对点、线对线、面对面一一对应的光学系统。这种“物”和“像”的对应称为共轭。具体到CCD摄像机镜头，就是自然界的景物，通过这样一个光学系统，在CCD靶面上要能出现一个完全相似的像，再由电视系统传送出去。理论上的理想光学系统，是一种科学抽象，它没有具体的结构、材料，仅仅由一些基点和基面组成，而这些点、面的构成状况，则完全表征了光学系统成像的特性。 1．理想光学系统的基本参数 图14-1 像方焦点与像方焦面 图14-2 物方焦点与物方焦面 首先说明光学系统成像特性的有关点、面的定义。 (1) 焦点与焦平面——焦点是光轴上无限远处点的共轭点。焦点有物方焦点和像方焦点。与光轴上无穷远物点共轭的像点称为像方焦点（F′），过F′而与光轴垂直的像平面称为像方焦面。显然，像方焦面上会聚了光轴上无穷远物点的像点F′或光轴外无穷远B点发出的平行光束形成的像点B′，见图14-1，即景物在像方焦面上成像。根据共轭关系,只是不改变光的入射方向,同样定义物方焦点（F）和物方焦面。即由物方焦点F发出的光束经光学系统后必定是一束平行于光轴的光（即会聚于光轴上的无穷远点），而物方焦面上的一点B发出的光束，则形成与光轴成一定倾角的平行光束（会聚于光轴外的无穷远点），见图14-2。 (2) 主点与主平面——主面是横向放大率（像高与物高比）为1的一对共轭面。在图14-1、图14-2中，F′B′/FB=1，HQ就叫物方主面，H′Q′叫像方主面，它们与光轴的交点H叫物方主点，H＇叫像方主点。在摄像机应用中，镜头处于空气介质中，物方及像方空间折射率相等，若物高比为1，则必有HF=H′F′。对于单个薄透镜（透镜的厚度与其焦距或球面曲率半径相比很小而略去不计），主面与球面顶点重合，物方与像方主面也彼此重合。 (3) 焦距——主点到焦点的距离称为焦距。物方主点H到焦点F之间的距离称为物方焦距f（图14-2）f ′称为像方焦距（图14-1）。在光学计算公式中，f和f′为代数量，和，与光线传播方向一致者为正，相反为负，故f为负值，f ′为正值。 对理想光学系统，确定了上述物、像方焦点（F和F′）和物、像方主点（H和H′）的位置，它的成像特性就完全确定了。对已知位置和大小的物体，通过作图方法或通过计算方法，即可求出像的位置和大小。 2．理想光学系统的物像位置关系求解 图14-3 理想光学系统作图求像 (1) 作图求像——如图14-3，在理想光学系统中的F、F′和H、H′已确定，则对物点M，仅需作4条连线即可确定其像点M′。由M作两条入射线，一条平行于光轴与物主面相交（Q1）在像主面上与物主面相应的点（Q1′），再作一条过F′的出射线；一条过F的入射线与物主面相交（Q2），在像主面上与物主面相应的点（Q2′），再作一条与光轴平行的出射线。两条出射线的交点M′，即为物点M的像点。同样可作出另一位置物点N的像点N′。可以看到物点离远了，像高会变小。这种作图法虽然简单直观，其误差较大则是显然的。由解析分析得出的数学公式进行计算，结果会精确得多。但只是计算出的仍是理想光学系统的结果。 图14-4 物像点面位置关系 (2)解析求像——如前所述，有关物方、像方的点、面的关系如图14-4，它也表示了物点成像的关系。由F、H、H′、F′四个特征点的相对位置，可以导出数学公式用以表示物（AB）和像（A′B′）之间的关系。利用焦点（F、F′）作参考点，以入射光方向为正，则物、像的距离参数分别是－x(负号表示与入射光方向相反)、x′。由此导出的数学表达式称为牛顿公式。由相似三角形对应边的比例关系导出公式： (14-1a) (14-1b) 当物、像空间折射率相等，∣f∣=∣f ′∣,式（14-1b）可简化为： (14-1c) 式（14-a，14-1b，14-1c）称为牛顿公式。 如以主点