【實用分享】本文將協助您了解攝影機模組CMOS影像感測器（Sensor）與鏡頭

1.CMOS影像感測器 (感應器)

1.1 感測器尺寸

感測器尺寸是衡量其感光面積大小的關鍵指標，通常以對角線長度以英吋為單位表示。長寬比一般為4:3，但由於歷史原因，感測器中的16mm被定義為1英吋。感光元件尺寸越大，捕捉光線的能力越強，從而產生更高品質的影像。

常見的感光元件尺寸包括4/3吋、1吋、2/3吋、1/1.8吋、1/2吋、1/2.5吋、1/3吋和1/4吋。隨著尺寸的減小，其實際寬度和高度也會相應減小，影響其捕捉光線和生成影像的能力。

尺寸（英吋）

實際寬度mm	實際高度mm	對角線長度
4/3"	18	13.5	22.5
1"	12.8	9.6	16
2/3"	8.8	6.6	11
1/1.8"	7.11	5.33	8.89
1/2"	6.4	4.8	8
1/2.5"	5.75	4.32	7.19
1/3"	4.8	3.6	6
1/4"	3.2	2.4	4

1.2 CMOS影像感測器接口

CMOS影像感測器的介面類型主要有MIPI、DVP和LVDS。 MIPI接口是一種高速串列接口，用於傳輸影像資料和控制訊號，具有功耗低、頻寬高、抗干擾能力強等優點。 DVP介面是一種平行接口，透過多條資料線同時傳輸影像資料。速度相對較慢，但成本較低。 LVDS介面是一種差分串行接口，用於傳輸高速影像數據，適合長距離傳輸和高速應用。

1.3像素

像素是影像感測器的基本單位，決定了影像的解析度和清晰度。一般來說，像素越高，影像解析度越高，表達細節的能力越強。但像素太高也可能導致影像雜訊增加、影像處理能力下降。

2.鏡頭

2.1光學鏡頭參數詳解

EFL（有效焦距）有效焦距

從鏡頭中心到焦點的距離。像焦距是指像主面（後主面）到影像焦點（後焦點）的距離；物焦距是指從物主面（前主面）到物焦點（前焦點）的距離。

●注意事項：焦距過短，視場角過大，畸變和主光角度難以控制，相對照度低，鏡頭彎曲嚴重，像差校正困難。如果焦距太長，則鏡頭太長，不利於系統小型化，且視場太小，無法滿足使用者需求。

TTL（Total Track Length）鏡頭總長度

光學總長是指鏡頭中鏡片第一表面到像面的距離。機構總長度是指鏡筒端面到像面的距離。在鏡頭產品中，一般指的是TTL機構。

BFL（Back Focal Length）光學後焦距

光學系統中透鏡最後一個表面到像面的距離。

FFL（Front Focal Length）光學前焦距

光學系統中透鏡第一表面到物面的距離。

●註：應與機構後焦距（FBL，有時與FFL混用，但這裡特指機構後焦距）或法蘭焦距區別。

FBL/FFL（法蘭焦距）機構後焦距（法蘭焦距）

鏡頭組最後一個機構表面到像平面的距離。

FOV（視野）視野

鏡頭可以拍攝的最大視野。視場可分為對角視場（FOV-D）、水平視場（FOV-H）和垂直視場（FOV-V）。對角視場最大，水平視場次之，垂直視場最小。

●計算公式：FOV-H=2tan(H/2D)、FOV-V=2tan(V/2D)、FOV-D=2tan[sqrt(H²+V²)/2D]，其中H為水平尺寸，V為垂直尺寸，D 為鏡頭中心與物體的距離。

F/NO。 （F 值）光圈（相對光圈）

有效焦距與入瞳直徑的比值。

●功能：決定鏡頭的亮度。

●備註：在確保相同光圈的前提下，焦距越短，相對光圈應越小。一般情況下，F/#=2.8，但對於單晶片設計，F/#=3.2。 F/# 越小，光圈越大。

RI（相對對照度）相對對照度

中心照度與週邊照度之比。

●注意事項：相對照度過低，表現為影像中心較亮，周圍較暗，即漸暈現象。相對對照度太低也會導致顏色失真。 RI 與 COS⁴（半 FOV）成正比。當RI<50%時，人眼可以辨別差異。嚴重時會出現「缺角」現象，畫面四個角全黑。因此，RI的基本要求是RI>50%。

CRA（主光線角） 主光線角

主光線角是主光線與平行光線之間的角度。主光線是從物體邊緣發出的光線，穿過孔徑光闌的中心，最後到達像的邊緣。

● 注意： 主光線發射角度不適合會導致嚴重暗角、對比下降、偏色等現象。

MTF（調製傳遞函數） 

光調變傳遞函數 調變是最亮光減去最暗光與最亮光加上最暗光的比率。結果 M 是光的對比。

● 註：Sensor MTF 所需計算公式為Sensor 全頻解析度= 1000/2.8/2 = 179lp/mm（2.8um 像素尺寸）或1/（2×像素尺寸）。解析度是每1毫米可分辨線對的數量，單位為lp/mm。

電視線 掃描線

螢幕水平影像中可分辨的線數可以透過解析度來換算。 TV線=lp/mm×2×感光元件寬度。

 耀斑/幽靈

指光學系統中光在像面上隨機散射而形成的相反的微型或霧狀影像，即光學系統中的非成像光束。

這些參數共同決定了光學鏡頭的性能和應用範圍。在選擇和使用光學鏡頭時，需要根據特定的應用場景和要求綜合考慮這些參數。

這是定焦鏡頭的參數：

16mm：焦距16mm

IR：紅外線鏡頭

1/2''：目標尺寸1/2''

5MP：鏡頭分辨率，500w像素

F4.0：也寫成F/4.0，光圈係數，4.0光圈，焦距/光圈；在其他條件不變的情況下，孔徑係數越小，光通量越大，影像越亮。

目標面尺寸：與感測器尺寸相對應，且不能小於感測器尺寸。如果小於感測器尺寸，就會出現暗角。

焦距：定焦鏡頭的焦距是恆定的；凸透鏡越凸，焦距越小；凸透鏡越平，焦距越大。變焦鏡頭透過改變鏡頭內部的相對位置來改變鏡頭的焦距。鏡頭的焦距定義為無限遠對焦時鏡頭的光學中心與相機的影像感測器（或底片平面）之間的距離。在某些情況下，像距相當於焦距。

光圈值：F1.4、F2.0、F2.8、F4.0、F5.6、F8.0…，下一張是上一張的1.4倍（2的平方根），光通量為前一個的一半。

2.2 鏡頭焦距與光圈對景深的影響

當光圈不變時，鏡頭的焦距與景深成反比：

焦距越大，景深越淺

焦距越小，景深越大

當焦距不變時，光圈大小與景深成反比：

光圈越大，景深越大

光圈越小，景深越大

2.3 鏡頭接口

螺紋接口

分為C-mount和CS-mount，差異在於法蘭距（鏡頭安裝底座到焦點的距離）不同，即鏡頭底部到Sensor的距離不同。

C介面的法蘭距離為17.526mm，CS介面的法蘭距離為12.5mm。

依介面直徑可分為M12、M42等，M12是指介面直徑為12mm。

電池安裝座

一般用於單眼相機。分為E卡口與EF卡口，差異還在於法蘭距不同。

2.4 鏡頭總長TTL

總光學長度是指鏡頭中鏡片第一表面到像平面的距離

機構總長度是指鏡筒端面到像平面的距離

更換鏡片時要考慮鏡片總長是否合適。

TTL影響安裝位置。當TTL太長時，套筒可能不夠長，導致安裝失敗；這種情況發生在我們更換鏡頭的時候。

這是鏡頭的規格，TTL=16mm。

TTL：總光學長度，從鏡頭第一表面到像平面的距離

TFL：鏡頭總長度/機構總長度，鏡筒末端到像平面的距離

EFL：有效焦距

F/NO: 光圈大小

FBL：機構後焦距（法蘭焦距），鏡頭組最後一個機構面到像平面的距離

BFL（Back Focal Length）：光學後焦距，鏡頭最後一個表面到像平面的距離

FOV：水平FOV、垂直FOV、對角FOV

Chief Ray Agnle：主入射角

螺紋：螺絲尺寸，M8直徑8mm，P0.35螺距0.35mm

結構：結構，4G+IR+金屬，4玻璃4玻璃鏡片，紅外線濾光片，金屬外殼

分辨率：分辨率，LP/mm，每毫米線對數，每毫米線對數；例如10 lp/mm表示1mm長度中有10對黑白線，總共有20條黑白線，所以每條線的寬度為1/20 = 0.05mm

2.5 FOV 視場角

FOV受光圈大小影響；對於同一鏡頭，光圈越大，FOV越大，光圈越小，FOV越小

視野、光圈和景深之間的影響。

FOV越大，相同距離下的影像越小，景深越淺。

2.6 等效焦距

當目前感光元件+目前鏡頭拍攝的尺寸與全片幅相機+鏡頭拍攝的尺寸相同，即視野相同時，拍攝時鏡頭的焦距是多少全片幅相機？這是等效焦距，即與全片幅相機拍攝相同視野角的影像時所用鏡頭的焦距。

2.7 光圈

光圈會影響進入的光量。光圈越大，進入的光線越多，影像越亮。

光圈影響景深。光圈越大，景深越小。

選擇鏡頭時，需依照場景平衡進光量和景深，選擇光圈適合的鏡頭。

相對孔徑（f'/D）的倒數稱為F數，又稱孔徑數，記為F/…。

進光量與F數的平方成反比，即F4.0光圈的進光量是F2.8的一半，曝光時間需要加倍。

3.鏡頭成像原理

像距v：鏡頭到感光元件的距離

物距u：物體到鏡頭的距離

焦距f：鏡頭焦距參數；定焦鏡頭，固定焦距；變焦鏡頭，可變焦距

自動對焦和自動對焦：自動對焦AF，焦距不變，調整像距和物距（主要是像距）；自動對焦變焦，調整焦距、物距、像距不變

3.1 凸透鏡成像原理

凸透鏡成像原理是指利用光的折射原理成像。

u>2f, f

u=2f=v：倒置且相等的實像

f <u 2f：倒置放大的實像（投影機）

成像公式：1/u+1/v=1/f，只有滿足這個條件才能形成清晰的影像。

在相機中，通常u >>> v，物距遠大於像距。因此，在AF過程中，像距v的微小變化就會造成物距u的較大變化。因此，VCM推動的距離通常很短，但可以控制較大的清晰成像範圍。

圖片尺寸：

當f不變時，像距v增大，物距u減小，影像變大（u+v減少）（向外推AF VCM時，清晰點更近，物像變大）

當f不變時，像距v減小，物距u增大，像變小（u+v增大）

若換成焦距較長的鏡頭，像距不變，物距也必須減少；如果不想縮小物距，就必須縮小像距。

3.2 不同光線對焦距的影響

不同波長的光在介質中的傳播速度和折射率不同，因此同一透鏡對於不同波長的光具有不同的焦距。這稱為色散，與棱鏡的色散相同。波長越長，焦距越大。

不同顏色可見光的波長範圍：

紅色：770~622nm；橘色：622~597nm；黃色：597~577nm；綠光：577~492nm；藍色、靛藍：492~455nm；紫色：455~350nm。

讓我們來深入研究監視器的運作機制細節：白天光線充足時，攝影機會擷取並呈現彩色視訊影像；白天光線充足時，攝影機會擷取並呈現彩色視訊影像；當夜幕降臨時，它會切換到紅外線模式來捕捉夜間影像。值得注意的是，在這個IR CUT（紅外線截止濾光片）切換過程中，相機的焦距經常會因光線性質的變化而發生調整，這就需要重新對焦以確保畫面的清晰度。

為了滿足全天候、不間斷監控的需求，許多地方對攝影機的性能提出了更高的要求——不僅要能夠出色地完成白天的監控任務，還要提供清晰、高清的影像。近年來，隨著紅外線攝影機、紅外線燈的廣泛普及，以及日夜型攝影機、高清彩色攝影機價格的逐漸下降，鏡頭廠商迎來了前所未有的市場機會。正是在這種背景下，IR（紅外線）監視器鏡頭應運而生。

IR鏡頭是專為紅外線監控設計的鏡頭，採用獨特的光學玻璃材料，結合尖端的光學設計概念，成功消除了可見光和紅外光在焦平面上偏移的問題。這意味著可見光和紅外線光都可以聚焦在鏡頭內的同一平面上，確保所有影像都能呈現出色的清晰度。此外，IR鏡片也採用特殊的多層鍍膜技術，顯著提高紅外線光的穿透率。因此，採用紅外線鏡頭的攝影機不僅可以在夜間監控時實現更遠的監控距離，而且可以帶來更好的監控效果。

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