鏡頭與攝像頭特性總結(jié)

1、攝像頭、鏡頭以及衍生產(chǎn)品的特性分析一、 攝像頭我所說的相機的鏡頭和攝像頭在材料上是不相同的，相機鏡頭使用的是專業(yè)材料，工藝和成本都比較精細，而攝像頭用的是廉價的CMOS材料，成本較低，所以定位就相對差一點。1.1 攝像頭的組成攝像頭主要有鏡頭，圖像傳感芯片和外圍電路構(gòu)成。圖像傳感芯片又是其最重要的部分，攝像頭的指標(biāo)（如黑白或彩色，分辨率）就取決于圖像傳感芯片的指標(biāo)；該芯片要配以合適的外圍電路才能工作，將它們制作在一塊電路板上，稱為“單板”。若給單板配上鏡頭、外殼、引線和接頭，這就構(gòu)成了通常所見的攝像頭。攝像頭通常會引出三個端子，一個是電源端一個是地端還有一個是視頻信號端（還有的會多出一個音頻信

2、號端），電源電壓輸入一般有6-9V或者9-12V的，視頻信號的電壓一般位于0.5V-2V之間。1.2 攝像頭的工作原理按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點，當(dāng)掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對應(yīng)關(guān)系的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。具體而言（參見圖），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的電壓視頻信號，該電壓信號的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號端就輸出一個低于最低視頻信號電壓的電平（如0.3V），并保持一段時間。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像對應(yīng)的電壓信號之后會有一個電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈

3、沖，它是掃描換行的標(biāo)志。然后，跳過一行后（因為攝像頭是隔行掃描的方式），開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的視頻信號，接著就會出現(xiàn)一段消隱區(qū)。此區(qū)中有若干個復(fù)合消隱脈沖（簡稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有個脈沖，它遠寬于（即持續(xù)時間長于）其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標(biāo)志。場同步脈沖標(biāo)志著新的一場的到來，不過，場消隱區(qū)恰好跨在上一場的結(jié)尾部分和下一場的開始部分，等場消隱區(qū)過去，下一場的視頻信號才真正到來。攝像頭每秒掃描25 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，故每秒掃描50 場圖像。奇場時只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時則只掃描圖像中的偶數(shù)行。1.3 攝

4、像頭具體組成部分詳解1.3.1 攝像頭的鏡頭 鏡頭的組成是透鏡結(jié)構(gòu)，由幾片透鏡組成，一般有塑膠透鏡(plastic)或玻璃透鏡(glass)。玻璃對光的透過要遠遠好于塑料，尤其是是否鍍增透膜，這是一個非常重要的指標(biāo)。正常光線進入玻璃鏡片會有10%-15%的光損失，若不鍍增透膜會嚴重影響畫面的亮度及流暢性.鍍膜后，光線僅僅會損失3%-5%.市場上常用塑料鏡頭是沒有鍍增透膜，它的光損失會達到15%-20%，畫面發(fā)暗。通常攝像頭用的鏡頭構(gòu)造有、1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等。透鏡越多，成本越高；玻璃透鏡比塑膠貴。因此一個品質(zhì)好的攝像頭應(yīng)該是采用玻璃鏡頭，成像效果就相對塑膠鏡頭會好。

5、現(xiàn)在市場上的大多攝像頭產(chǎn)品為了降低成本，一般會采用塑膠鏡頭或半塑膠半玻璃鏡頭(即、1P、2P、1G1P、1G2P等)，只有采用4G玻璃鏡頭才是具有較好的光學(xué)品質(zhì)的攝像頭。圖1.1 鏡頭的結(jié)構(gòu)圖像傳感器傳感器主要有CCD和CMOS兩種。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。CCD的成像像

6、素和清晰度，以及色彩的還原度都比較好，但是價格高。而CMOS成像方面要相對差一些，但價格要便宜不少。圖1.2 圖像CCD傳感器 CMOS傳感器(SENSOR)、是一種半導(dǎo)體芯片，其表面包含有幾十萬到幾百萬的光電二極管。光電二極管受到光照射時，就會產(chǎn)生電荷。在采用CMOS為感光元器件的產(chǎn)品中，通過數(shù)字信號處理芯片DSP處理采用影像光源自動增益補強技術(shù)，自動亮度、白平衡控制技術(shù)，色飽和度、對比度、邊緣增強以及伽馬矯正等先進的影像控制技術(shù)。市場上的攝像頭產(chǎn)品采用的CMOS品牌主要有MICRON，HYNIX，TASC等這三家。圖1.3 圖像CMOS傳感器1.3.3 數(shù)字信號處理芯片DSPDSP芯片是影

7、響攝像頭視頻捕獲速度的主要因素。DSP是攝像頭的大腦，效果相同于計算機里的CPU，它的功能主要是通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法運算，對由CMOS傳感器傳來的數(shù)字圖像信號進行優(yōu)化處理，并把處理后的信號通過USB等接口傳到PC等設(shè)備，是攝像頭的核心設(shè)備。圖1.4 數(shù)字信號處理芯片DSP結(jié)構(gòu)框架:1. ISP(image signal processor)(鏡像信號處理器)2. JPEG encoder(JPEG圖像解碼器)3. USB device controller(USB設(shè)備控制器)圖1.4 數(shù)字處理芯片 不同的數(shù)字信號處理芯片將會帶來不同的壓縮效果。一般而言，攝像頭廠商對采用何種數(shù)字信號處理芯片

8、并不公開，但是不可否認的是，優(yōu)秀的數(shù)字信號處理芯片能夠令數(shù)據(jù)傳輸更為高效。也就是幀速率很高。1.4 容易被忽視的攝像頭技術(shù)指標(biāo) 1.4.1 像素級別像素級別是造成不同產(chǎn)品價格差距懸殊的重要原因，同時也是衡量攝像頭性能的重要指標(biāo)之一。一般來說，像素越高的產(chǎn)品其圖像的品質(zhì)越好。不過像素值不能完全決定影像的質(zhì)量，與數(shù)據(jù)傳輸通道和數(shù)據(jù)處理能力也有很大關(guān)系；二者性能過低可能出現(xiàn)影像的延遲、停頓現(xiàn)象。分辨率就是攝像頭解析辨別圖像的能力。它和CCD或CMOS的品質(zhì)直接相關(guān)。有關(guān)分辨率，我們主要考慮捕捉靜態(tài)畫面時的分辨率（照相解析度）和捕捉動態(tài)畫面時的分辨率（視頻解析度）?，F(xiàn)在主流攝像頭的分辨率是640

9、15;480。某些產(chǎn)品，可能會標(biāo)明更高的分辨率，但是，這可能是通過使用優(yōu)化軟件所能達到的“插值”分辨率。 1.4.2 關(guān)注感光器亮度表現(xiàn)同樣是30萬像素的CCD攝像頭，不同產(chǎn)品之間的效果差異也較大，造成這一現(xiàn)象的關(guān)鍵因素之一就是CCD通光量，同宿而言就是CCD感光器的亮度表現(xiàn)。CCD感光器的通光量很大程度上取決于其面積，這也是非常值得關(guān)注的指標(biāo)，因為它直接決定該產(chǎn)品在室內(nèi)弱光環(huán)境下的效果。一般情況下，CCD攝像頭感光器的面積有1/4型、1/6型、1/8型等，面積越大的感光器可以獲得較大的通光量，在弱光環(huán)境下拍攝時有出色的效果。由于攝像頭基本上在室內(nèi)使用，因此這一技術(shù)指標(biāo)的重要性可想而知。1.4

10、.3 調(diào)焦功能 調(diào)焦功能也是攝像頭不可忽視的，一般都應(yīng)該具備物理調(diào)焦功能，這樣就能手動調(diào)節(jié)攝像頭的焦距，得到清晰的圖像。少數(shù)入門級地端產(chǎn)品可能不具備調(diào)焦功能，此時對中遠距離視頻捕捉基本上沒有影響，但是在近距離視頻捕捉就會相當(dāng)麻煩。此外，相應(yīng)速度也十分關(guān)鍵，畢竟被攝物體不可能一直靜止。1.5 微型攝像頭的性能和分析微型攝像頭的感光芯片分CCD與CMOS, 由于 CCD 傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于 CMOS傳感器, 所以絕大部分的專業(yè)攝像頭都是采用 CCD 作為感光芯片。CCD, 是英文 Charge Coupled De-vice 即電荷耦合器件的縮寫, 它是一種特殊半導(dǎo)體器件

11、, 上面有很多一樣的感光元件, 每個感光元件叫一個像素。CCD 在攝像頭里是一個極其重要的部件, 它起到將光線轉(zhuǎn)換成電信號的作用, 類似于人的眼睛, 因此其性能的好壞將直接影響到攝像機的性能。衡量 CCD 好壞的指標(biāo)很多, 有像素數(shù)量, CCD 尺寸, 靈敏度, 信噪比等,其中像素數(shù)以及 CCD 尺寸是重要的指標(biāo)。像素數(shù)是指 CCD 上感光元件的數(shù)量。攝像頭拍攝的畫面可以理解為由很多個小的點組成, 每個點就是一個像素。顯然, 像素數(shù)越多, 畫面就會越清晰, 如果 CCD 沒有足夠的像素的話, 拍攝出來的畫面的清晰度就會大受影響, 因此, 理論上 CCD 的像素數(shù)量應(yīng)該越多越好。但 CCD 像素

12、數(shù)的增加會使制造成本以及成品率下降, 而且在現(xiàn)行電視標(biāo)準(zhǔn)下, 像素數(shù)增加到某一數(shù)量后, 再增加對拍攝畫面清晰度的提高效果變得不明顯, 因此, 一般一百萬左右的像素數(shù)對一般的使用已經(jīng)足夠了。單 CCD 微型攝像頭是指攝像頭里只有一片 CCD 并用其進行亮度信號以及彩色信號的光電轉(zhuǎn)換, 其中色度信號是用 CCD 上的一些特定的彩色遮罩裝置并結(jié)合后面的電路完成的。由于一片 CCD 同時完成亮度信號和色度信號的轉(zhuǎn)換, 因此難免兩全,使得拍攝出來的圖像在彩色還原上達不到專業(yè)水平很的要求。為了解決這個問題, 便出現(xiàn)了3CCD微型攝像頭。3CCD, 顧名思義, 就是一臺微型攝像頭使用了 3 片 CCD。我們

13、知道, 光線如果通過一種特殊的棱鏡后, 會被分為紅, 綠, 藍三種顏色, 而這三種顏色就是我們電視使用的三基色, 通過這三基色, 就可以產(chǎn)生包括亮度信號在內(nèi)的所有電視信號。如果分別用一片CCD 接受每一種顏色并轉(zhuǎn)換為電信號, 然后經(jīng)過電路處理后產(chǎn)生圖像信號, 這樣, 就構(gòu)成了一個 3CCD 系統(tǒng)。和單 CCD 相比, 由于 3CCD 分別用 3 個 CCD 轉(zhuǎn)換紅, 綠, 藍信號, 拍攝出來的圖像從彩色還原上要比單 CCD來的自然, 亮度以及清晰度也比單CCD 好 。但 由 于 使 用 了三 片 CCD,3CCD 攝像頭的價格要比單 CCD 貴很多, 所以只有專業(yè)用的攝像頭才會使用 3CCD。

14、所以, 分辨率越高, 微型攝像頭機的表現(xiàn)能力就越好。高清晰攝像頭還具有超強的靈敏度照度, 它可以在黑暗的環(huán)境下取得更清晰的圖像。它是采用普通攝像頭沒有辦法實現(xiàn)的。在黑暗的環(huán)境下, 由于照度的問題,微型攝像頭噪點的將會不可避免的增多, 由于三星電子的高清晰微型攝像頭采用了獨特的數(shù)字降噪技術(shù)?？梢粤畹驼諚l件下的圖像更清晰, 悅目。圖像的清晰度主要取決于微型攝像頭的水平分辨率和后端的顯示設(shè)備的解析能力, 好的傳輸介質(zhì)可以減少圖像在傳輸過程中的信號衰減。攝像頭的清晰度取決于感光芯片的性能;二 鏡頭 鏡頭是攝像機最主要的組成部分，被稱為人的眼睛。因此說，鏡頭就是攝像機的眼睛。畫面的清晰程度和影像層次是否

15、豐富等表現(xiàn)能力，受光學(xué)鏡頭的內(nèi)在質(zhì)量所制約。 2.1 鏡頭的定義和分類鏡頭是將拍攝景物在傳感器（CCD或CMOS）上成像的器件，它通常由由幾片透鏡組成。從材質(zhì)上看，鏡頭可分為塑膠透鏡（Plastic）和玻璃透鏡（Glass）。通常鏡頭構(gòu)造有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等（此處的P、G分別代表塑膠透鏡和玻璃透鏡，如1G1P表示這款攝像頭的鏡頭由一片塑膠透鏡和一片玻璃透鏡組成）。透鏡越多，成本越高；玻璃透鏡成本比塑膠透鏡貴。(玻璃鏡頭成像質(zhì)量，飽和度，色差相對塑膠鏡頭會好，比較常使用在較為高端的攝像頭上?，F(xiàn)在市場上的部分產(chǎn)品為了降低成本，一般會采用塑膠鏡頭或玻塑混合鏡頭（即：1

16、P、2P、1G1P、1G2P等）)。從用途上看，鏡頭可分為數(shù)碼相機鏡頭,手機鏡頭,網(wǎng)絡(luò)鏡頭,監(jiān)控安防鏡頭,汽車后視鏡頭,醫(yī)療鏡頭等. 根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦距鏡頭和變焦距鏡頭兩大類,目前公司主要生產(chǎn)定焦距鏡頭.2.2 鏡頭的基本參數(shù)組成 1）焦距：焦點距離的簡稱。從鏡頭的中心點到傳感器平面上所形成的清晰影像之間的距離。(從鏡片中心到底片或COMS,CCD等成像平面的距離)例如，把放大鏡的一面對著太陽，另一面對著紙片，上下移動到一定的距離時，紙片上就會聚成一個很亮的光點，而且一會兒就能把紙片燒焦成小孔，故稱之為“焦點”。從透鏡中心到紙片的距離，就是透鏡的焦點距離。焦距固定的鏡頭，即定焦鏡頭

17、；焦距可以調(diào)節(jié)變化的鏡頭，就是變焦鏡頭:光學(xué)變焦（改變鏡頭焦距）/數(shù)碼變焦(不改變鏡頭焦距)數(shù)碼變焦是通過數(shù)碼相機內(nèi)的處理器，把圖片內(nèi)的每個象素面積增大，從而達到放大目的。如同用圖像處理軟件把圖片的面積改大把原來影像感應(yīng)器上的一部份像素使用“插值”處理手段做放大,將影像感應(yīng)器上的像素用插值算法將畫面放大到整個畫面。2）光圈F:是一個用來控制光線透過鏡頭，進入機身內(nèi)感光面的光量的裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。光圈F值 = 鏡頭的焦距 f/ 鏡頭口徑的直徑D, 從以上的公式可知要達到相同的光圈F值，長焦距鏡頭的口徑要比短焦距鏡頭的口徑大。3）視角FOV: 鏡頭所能覆蓋的范圍，(物體超過這個角就不會被收在

18、鏡頭里),一個攝像機鏡頭能涵蓋多大范圍的景物，通常以角度來表示，這個角度就叫鏡頭的視角FOV。被攝對象透過鏡頭在焦點平面上結(jié)成可見影像所包括的面積，是鏡頭的視場。4）景深：當(dāng)某一物體聚焦清晰時，從該物體前面的某一段距離到其后面的某一段距離內(nèi)的所有景物也都當(dāng)清晰的。焦點相當(dāng)清晰的這段從前到后的距離就叫做景深。景深分為前景深和后景深，當(dāng)鏡頭對準(zhǔn)被攝景物時，被攝景物前面的清晰范圍叫前景深，后面的清晰范圍叫后景深。后景深大于前景深。景深越深，那么離焦點遠的景物也能夠清晰，而景深淺，離焦點遠的景物就模糊。 5）焦距,光圈,視角,景深的關(guān)系5.1在光圈系數(shù)和拍攝距離都相同的情況下，鏡頭焦距越短，景深范圍越

19、大；鏡頭焦距越長，景深范圍越小。5.2對于固定焦距和拍攝距離，使用光圈越小，景深越大。 5.3相同焦距的鏡頭在不同規(guī)格傳感器上，傳感器尺寸越大，視角越大，傳感器尺寸越小，視角越??；6.鍍膜:光是一種電磁波:(在真空中的）可見光波長范圍是700400nm ；紅外光為約700 到107nm量級;紫外光1-400nm；比紫外光短的還有X射線、射線（<0.001nm）等；而比紅外長的就是我們熟悉的無線電波6.1光學(xué)薄膜在光學(xué)系統(tǒng)中的作用提高光學(xué)效率、減少雜光。如高效減反射膜、高反射膜。實現(xiàn)光束的調(diào)整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根據(jù)不同需要進行能量再分配的光學(xué)元件。通過波長的選擇性透

20、過提高系統(tǒng)信噪比。如窄帶及帶通濾光片、長波通、短波通濾光片。實現(xiàn)某些特定功能。如ITO透明導(dǎo)電膜、保護膜等6.2濾光片IR-CUT:自然界存在著各種波長的光線，通過折射人眼能看到不同顏色的光線，這就是光線的波長不同所導(dǎo)致的。其實還有許多光線是人眼看不到的，人眼識別光線的波長范圍大概在400nm-700nm之間，超過700nm的光線人眼就無法見到，比如紅外光等。隨著科學(xué)的進步，人類發(fā)明了攝像機，理論上講攝像機可以看到絕大部分波長的光線，但在攝像機的使用過程中就出現(xiàn)了一個問題，由于各種光線的參雜，攝像機看到的物體反映在監(jiān)視器上與人眼直接看到的就變樣了。如人眼看到綠色，通過攝像機則變成藍色，產(chǎn)生彩色

21、失真。為解決色彩失真問題，一般在Sensor前貼有一低通濾片，該濾片阻礙了紅外光的進出，故白天彩色不失真.7.感光器件CCD（電荷藕合）, CMOS（互補金屬氧化物導(dǎo)體）1）日夜兩用形850波長2） 日夜兩用形940波長 三、視頻眼鏡 視頻眼鏡其實就是頭戴虛擬顯示器的一種。因為眼鏡式顯示器外形象眼鏡，同時專為大屏幕顯示音視頻播放器的視頻圖像的，所以形象的稱呼其為視頻眼鏡3.1 視頻眼鏡顯示原理 通過光學(xué)系統(tǒng)（主要是精密光學(xué)透鏡）放大超微顯示屏上的圖像，進而呈現(xiàn)于觀看者眼中大屏幕圖像。形象說就是拿放大鏡看物體呈現(xiàn)出放大的虛擬物體圖像。3.2 背景和起源 視頻眼鏡起源于軍事，所以美國和以色列在技術(shù)和軍事應(yīng)用上都是最強的，同時作為精密制造的日本，在技術(shù)上和商業(yè)應(yīng)用上也是走在世界先進行列的。韓國的視頻眼鏡發(fā)展也很好。歐盟，尤其是西歐，大有后來追上的勢頭，在OLED超微顯示屏和3G應(yīng)用上搶先一步。在游戲應(yīng)用上，美國還是走在最前列的。作為制造大國的中國，其在生產(chǎn)成本上有得天獨厚的優(yōu)勢，同時又避免了其它行業(yè)的只重視生產(chǎn)