焦距

焦距，也称为焦长，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜中心到光聚集之焦点的距离。

在安防摄像机中，即是从镜片光学中心到CMOS sensor成像平面的距离。

安防摄像机使用的镜头是凸透镜，因此焦距是正值，一束光线经过凸透镜后将会聚焦在CMOS sensor一个点上。

视角

在摄影学中，视角(angle of view)是在一般环境中，摄像机可以接收图像的角度范围，也可以常被称为视野。

视角描述的是摄像机镜头所可以拍摄的图像角度，一般来说镜头的成像圈都够大到足以完全覆盖感光元件sensor（不能覆盖的情况下面会讲）。

因为实际拍摄的目标是三维的，所以摄像机的视角可以分别表述为垂直视角，水平视角和对角线视角。

视角

视角计算公式

视角计算

其中，θ是视角，L是图像传感器尺寸，f是焦距。图像传感器有边长，宽长，对角线长，对应的计算出来的视角就是水平视角，垂直视角和对角线视角。

从以上公式可以看出，一个给定方案（即sensor尺寸确定）的摄像机可视角度只与镜头的焦距有关。很多时候我们认为和摄像机分辨率有关，其实一点关系都没有。

根据以上公式，我们来计算一个1/3'，2.8mm镜头的摄像机的可视距离。

1/3'sensor对应的—靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。代入公式，计算可得：

海康[1]（HIK Design tool[2]），安讯士[3]，三星[4]等厂商都有提供镜头视角的计算工具，可以使用参考。

实际安防项目中，除了考虑镜头的可视角度，另外一个可视距离更重要。针对不同的监控目的，比如看清楚人脸，看清楚车牌，识别男女性别等，我们如何选择摄像机，如何从像素密度选择合适的摄像机，可以参考这篇文章：从像素密度考虑摄像机选型[5]。

根据公式，我们可以算出不同焦距摄像机的可视角度。

不同焦距镜头的视角（水平视角）(°)

（注意：数据仅供参考，镜头尺寸和摄像机sensor尺寸一致的理想情况。实际中，摄像机可能达不到理想状况，例如镜头的靶面比sensor靶面大。）

从以上计算我们可以看出，靶面越大，视角越大。焦距越小，视角越大。

靶面

镜头靶面和sensor的靶面概念一样，即是上文提到的镜头成像圈的大小。sensor的尺寸一般用其对角线的长度表示，镜头的靶面一般指其直径。和sensor一样，镜头靶面也用英寸表述。常见的如1/2'，1/2.5'，1/2.7'，1/3'等等。
假如镜头的靶面范围无法涵盖整个sensor，则成像圈会被看见，实际成像的图像四周会伴随严重的边缘暗角，在这个状态下，视角会被成像范围所限制。（如下图左边的情况）

另一方面，如果镜头靶面比sensor的靶面小很多，那sensor的成像能力会被浪费很多。（如下图右边的情况）
所以最好的情况即镜头靶面和sensor靶面完全一致，一般我们默认在这种情况下讨论摄像机成像效果。（下图中间的情况）

光圈

光圈（Aperture），用来控制镜头孔径大小的部件。通过这个孔径可以控制镜头景深、同时和快门协同能控制进光量（即曝光）。对于已经制造好的镜头，不能随意改变镜头的直径，但是可以通过在镜头内部加入多边形或者圆型，并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量，这个装置就叫做光圈。

在光学中，光圈也被叫做焦比（f-number，或称f值、f比例、相对孔径、光圈值、光圈系数等，习惯上简称“光圈”）表达镜头的焦距和光圈直径大小的关系。简单来说，焦比等于焦距数除以孔径数。

ƒ值公式：D = ƒ/N

上式中，ƒ是焦距，N是实际孔径的数字表示，D是光圈值。

惯例上，“ƒ/#”视为一个整体用来描述光圈值，书写时数值替代符号中的#。举个例子，若焦距值是光圈直径的1倍，那么ƒ值是 ƒ/1.0，或N=1。

从公式中我们可以看出透过镜头到达感光元件sensor的光的照度和光圈孔径的平方成正比，和光圈数的平方成反比。

f值越小，光圈就越大，进光量也越大，同时景深越浅（景深参考下文）。

标准全级光圈值尺度

全级光圈值中相邻两个光圈数的平方比为1:2，因此，相邻两个光圈值的镜头照度相差一倍。

除了光圈大小，还可以通过控制镜头的曝光时间来控制进光量的多少，同时加上一些自动增益的方法（即曝光控制），在特殊场景下，比如明暗对比强烈，能获取清晰的图像效果。比如BLC，WDR，曝光区域。关于曝光控制，WDR宽动态等以后会有文章专门介绍。

景深

在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，这段清晰的范围就是景深。换言之，被摄体的前后纵深，呈现在画面的影象模糊程度，都在容许弥散圆的限定范围内。

一般的，

1. 光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

2. 镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；

3. 距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

镜头的评价

镜头评价函数不是线性的，常用的镜头评价优化方法有约束最小二乘算法以及全面优化方法。评价的内容包括色彩，视场平衡，畸变等。

评价镜头性能的其他参数还有：

• MTF，Modulation Transfer Function（调制传递函数）是分析镜头的解像能力效果的比较科学的方法。MTF虽然是一种标准，但有些影像效果非标准化能够衡量出来的，所以MTF只是个参考值而非全部。

• 透射率（透光率）。透光率是一个物理词汇，是表示光线透过介质的能力，是透过镜片的光通量与其入射光通量的百分率。
镜头镜片并非百分百透光，会有反射，散射，折射，衍射。一般的，给镜头镜片镀膜，能减少这些因素，增加镜头的透光性，目前最好的镜头能达到99.9%的透光率。

• 解像力（镜头分辨率）。镜头的解像力是对黑白条纹密度的分辨能力，镜头能分辨的最高密度值为该镜头的极限分辨率，用线对/毫米（lp/mm）为单位。一般的镜头边缘解像力等于中心解像力的60%。镜头的解像力最好和sensor的解像力匹配。

• 色差，像差，衍射。 比如佳能研发的微米级衍射光栅层叠结构，逆向思维利用通常会降低画质的衍射现象控制光路。1片DO镜片就能达到萤石镜片和非球面镜片的补偿效果。采用DO镜片可补偿色像差，实现高画质及镜头的小型化。