摄像头、镜头以及衍生产品的特性分析
一、摄像头
我所说的相机的镜头和摄像头在材料上是不相同的，相机镜头使用的是专业材料，工艺
和成本都比较精细，而摄像头用的是廉价的CMOS 材料，成本较低，所以定位就相对差一点。
1.1 摄像头的组成
摄像头主要有镜头，图像传感芯片和外围电路构成。图像传感芯片又是其最重要的部分，
摄像头的指标（如黑白或彩色，分辨率）就取决于图像传感芯片的指标；该芯片要配以合适
的外围电路才能工作，将它们制作在一块电路板上，称为“单板”。若给单板配上镜头、外
壳、引线和接头，这就构成了通常所见的摄像头。
摄像头通常会引出三个端子，一个是电源端一个是地端还有一个是视频信号端（还有的
会多出一个音频信号端），电源电压输入一般有6-9V 或者9-12V 的，视频信号的电压一般位
于0.5V-2V 之间。
1.2 摄像头的工作原理
按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采样图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传
感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度成一一对应关系的电压值，然后将此电压值通过视
频信号端输出。具体而言（参见图），摄像头连续地扫描图像上的一行，就输出一段连续的
电压视频信号，该电压信号的高低起伏正反映了该行图像的灰度变化情况。当扫描完一行，
视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平（如0.3V ），并保持一段时间。这样相
当于，紧接着每行图像对应的电压信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步
脉冲，它是扫描换行的标志。然后，跳过一行后（因为摄像头是隔行扫描的方式），开始扫
描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着就会出现一段消隐区。此区中有
若干个复合消隐脉冲（简称消隐脉冲），在这些消隐脉冲中，有个脉冲，它远宽于（即持续
时间长于）其他的消隐脉冲，该消隐脉冲又称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。场同步
脉冲标志着新的一场的到来，不过，场消隐区恰好跨在上一场的结尾部分和下一场的开始部
分，等场消隐区过去，下一场的视频信号才真正到来。摄像头每秒扫描25 幅图像，每幅又
分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描50 场图像。奇场时只扫描图像中的奇数行，偶
场时则只扫描图像中的偶数行。
1.3 摄像头具体组成部分详解
1.3.1 摄像头的镜头
镜头的组成是透镜结构，由几片透镜组成，一般有塑胶透镜(plastic)或玻璃透镜(glass)。
玻璃对光的透过要远远好于塑料，尤其是是否镀增透膜，这是一个非常重要的指标。正常光
线进入玻璃镜片会有10%-15%的光损失，若不镀增透膜会严重影响画面的亮度及流畅性. 镀
膜后，光线仅仅会损失3%-5%.市场上常用塑料镜头是没有镀增透膜，它的光损失会达到
15%-20%，画面发暗。通常摄像头用的镜头构造有、1P 、2P 、1G1P 、1G2P 、2G2P 、4G 等。
透镜越多，成本越高；玻璃透镜比塑胶贵。因此一个品质好的摄像头应该是采用玻璃镜头，
成像效果就相对塑胶镜头会好。现在市场上的大多摄像头产品为了降低成本，一般会采用塑
胶镜头或半塑胶半玻璃镜头(即、1P 、2P 、1G1P 、1G2P 等) ，只有采用4G 玻璃镜头才是具有
较好的光学品质的摄像头。
图1.1 镜头的结构
1.3.2图像传感器
传感器主要有CCD 和CMOS 两种。CCD 是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数
字信号。 CCD 上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel ）。一块CCD 上包含的像素数越多，其
提供的画面分辨率也就越高。CCD 的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。
CCD 上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控
制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD 的成像像素和清晰度，以及色彩
的还原度都比较好，但是价格高。而CMOS 成像方面要相对差一些，但价格要便宜不少。
图1.2 图像CCD 传感器
CMOS 传感器(SENSOR)、是一种半导体芯片，其表面包含有几十万到几百万的光电二极
管。光电二极管受到光照射时，就会产生电荷。在采用CMOS 为感光元器件的产品中，通过
数字信号处理芯片DSP 处理采用影像光源自动增益补强技术，自动亮度、白平衡控制技术，
色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术。市场上的摄像头产品采
用的CMOS 品牌主要有MICRON ，HYNIX ，TASC 等这三家。
图1.3 图像CMOS 传感器
1.3.3 数字信号处理芯片DSP
DSP 芯片是影响摄像头视频捕获速度的主要因素。DSP 是摄像头的大脑，效果相同于
计算机里的CPU ，它的功能主要是通过一系列复杂的数学算法运算，对由CMOS 传感器传来
的数字图像信号进行优化处理，并把处理后的信号通过USB 等接口传到PC 等设备，是摄像
头的核心设备。
图1.4 数字信号处理芯片
DSP 结构框架:
1. ISP(image signal processor)(镜像信号处理器)
2. JPEG encoder(JPEG图像解码器)
3. USB device controller(USB设备控制器) 图1.4 数字处理芯片
不同的数字信号处理芯片将会带来不同的压缩效果。一般而言，摄像头厂商对采用何种
数字信号处理芯片并不公开，但是不可否认的是，优秀的数字信号处理芯片能够令数据传输
更为高效。也就是帧速率很高。
1.4 容易被忽视的摄像头技术指标
1.4.1 像素级别
像素级别是造成不同产品价格差距悬殊的重要原因，同时也是衡量摄像头性能的重要指
标之一。一般来说，像素越高的产品其图像的品质越好。不过像素值不能完全决定影像的质
量，与数据传输通道和数据处理能力也有很大关系；二者性能过低可能出现影像的延迟、停
顿现象。
分辨率就是摄像头解析辨别图像的能力。它和CCD 或CMOS 的品质直接相关。有关分
辨率，我们主要考虑捕捉静态画面时的分辨率（照相解析度）和捕捉动态画面时的分辨率（视
频解析度）。现在主流摄像头的分辨率是640×480。某些产品，可能会标明更高的分辨率，
但是，这可能是通过使用优化软件所能达到的“插值”分辨率。
1.4.2 关注感光器亮度表现
同样是30万像素的CCD 摄像头，不同产品之间的效果差异也较大，造成这一现象的关
键因素之一就是CCD 通光量，同宿而言就是CCD 感光器的亮度表现。CCD 感光器的通光量
很大程度上取决于其面积，这也是非常值得关注的指标，因为它直接决定该产品在室内弱光
环境下的效果。一般情况下，CCD 摄像头感光器的面积有1/4型、1/6型、1/8型等，面积
越大的感光器可以获得较大的通光量，在弱光环境下拍摄时有出色的效果。由于摄像头基本
上在室内使用，因此这一技术指标的重要性可想而知。
1.4.3 调焦功能
调焦功能也是摄像头不可忽视的，一般都应该具备物理调焦功能，这样就能手动调节
摄像头的焦距，得到清晰的图像。少数入门级地端产品可能不具备调焦功能，此时对中远距
离视频捕捉基本上没有影响，但是在近距离视频捕捉就会相当麻烦。此外，相应速度也十分
关键，毕竟被摄物体不可能一直静止。
1.5 微型摄像头的性能和分析
微型摄像头的感光芯片分CCD 与CMOS, 由于 CCD 传感器在灵敏度、分辨率、噪声控
制等方面都优于 CMOS 传感器, 所以绝大部分的专业摄像头都是采用 CCD 作为感光芯片。
CCD, 是英文 Charge Coupled De-vice 即电荷耦合器件的缩写, 它是一种特殊半导体器件
,
上面有很多一样的感光元件, 每个感光元件叫一个像素。CCD 在摄像头里是一个极其重要的部件, 它起到将光线转换成电信号的作用, 类似于人的眼睛, 因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。衡量 CCD 好坏的指标很多, 有像素数量, CCD 尺寸, 灵敏度, 信噪比等, 其中像素数以及 CCD 尺寸是重要的指标。像素数是指 CCD 上感光元件的数量。摄像头拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成, 每个点就是一个像素。显然, 像素数越多, 画面就会越清晰, 如果 CCD 没有足够的像素的话, 拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响, 因此, 理论上 CCD 的像素数量应该越多越好。但 CCD 像素数的增加会使制造成本以及成品率下降, 而且在现行电视标准下, 像素数增加到某一数量后, 再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显, 因此, 一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。
单 CCD 微型摄像头是指摄像头里只有一片 CCD 并用其进行亮度信号以及彩色信号的光电转换, 其中色度信号是用 CCD 上的一些特定的彩色遮罩装置并结合后面的电路完成的。由于一片 CCD 同时完成亮度信号和色度信号的转换, 因此难免两全, 使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平很的要求。
为了解决这个问题, 便出现了3CCD 微型摄像头。
3CCD, 顾名思义, 就是一台微型摄像头使用了 3 片 CCD 。我们知道, 光线如果通过一种特殊的棱镜后, 会被分为红, 绿, 蓝三种颜色, 而这三种颜色就是我们电视使用的三基色, 通过这三基色, 就可以产生包括亮度信号在内的所有电视信号。如果分别用一片CCD 接受每一种颜色并转换为电信号, 然后经过电路处理后产生图像信号, 这样, 就构成了一个 3CCD 系统。和单 CCD 相比, 由于 3CCD 分别用 3 个 CCD 转换红, 绿, 蓝信号, 拍摄出来的图像从彩色还原上要比单 CCD 来的自然, 亮度以及清晰度也比单CCD 好 。但 由 于 使 用 了三 片 CCD,3CCD 摄像头的价格要比单 CCD 贵很多, 所以只有专业用的摄像头才会使用 3CCD 。
所以, 分辨率越高, 微型摄像头机的表现能力就越好。高清晰摄像头还具有超强的灵敏度照度, 它可以在黑暗的环境下取得更清晰的图像。它是采用普通摄像头没有办法实现的。在黑暗的环境下, 由于照度的问题, 微型摄像头噪点的将会不可避免的增多, 由于三星电子的高清晰微型摄像头采用了独特的数字降噪技术。可以令低照条件下的图像更清晰, 悦目。图像的清晰度主要取决于微型摄像头的水平分辨率和后端的显示设备的解析能力, 好的传输介质可以减少图像在传输过程中的信号衰减。摄像头的清晰度取决于感光芯片的性能;
二 镜头
镜头是摄像机最主要的组成部分，被称为人的眼睛。因此说，镜头就是摄像机的眼睛。画面的清晰程度和影像层次是否丰富等表现能力，受光学镜头的内在质量所制约。
2.1 镜头的定义和分类
镜头是将拍摄景物在传感器（CCD 或CMOS ）上成像的器件，它通常由由几片透镜组成。 从材质上看，镜头可分为塑胶透镜（Plastic ）和玻璃透镜（Glass ）。通常镜头构造有：1P 、2P 、1G1P 、1G2P 、2G2P 、4G 等（此处的P 、G 分别代表塑胶透镜和玻璃透镜，如1G1P 表示这款摄像头的镜头由一片塑胶透镜和一片玻璃透镜组成）。透镜越多，成本越高；玻璃透镜成本比塑胶透镜贵。(玻璃镜头成像质量，饱和度，色差相对塑胶镜头会好，比较常使用在较为高端的摄像头上。现在市场上的部分产品为了降低成本，一般会采用塑胶镜头或玻塑混合镜头（即：1P 、2P 、1G1P 、1G2P 等）) 。
从用途上看，镜头可分为数码相机镜头, 手机镜头, 网络镜头, 监控安防镜头, 汽车后视镜头, 医疗镜头等.
根据焦距能否调节，可分为定焦距镜头和变焦距镜头两大类, 目前公司主要生产定焦距镜头.
2.2 镜头的基本参数组成
1）焦距：焦点距离的简称。从镜头的中心点到传感器平面上所形成的清晰影像之间的距离。(从镜片中心到底片或COMS,CCD 等成像平面的距离) 例如，把放大镜的一面对着太阳，另一面对着纸片，上下移动到一定的距离时，纸片上就会聚成一个很亮的光点，而且一会儿就能把纸片烧焦成小孔，故称之为“焦点”。从透镜中心到纸片的距离，就是透镜的焦点距离。
焦距固定的镜头，即定焦镜头；焦距可以调节变化的镜头，就是变焦镜头:光学变焦（改变镜头焦距）/数码变焦(不改变镜头焦距)
数码变焦是通过数码相机内的处理器，把图片内的每个象素面积增大，从而达到放大目的。如同用图像处理软件把图片的面积改大把原来影像感应器上的一部份像素使用“插值”处理手段做放大, 将影像感应器上的像素用插值算法将画面放大到整个画面。
2）光圈F:是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光量的装置，它通常是在镜头内。光圈F 值 = 镜头的焦距 f/ 镜头口径的直径D, 从以上的公式可知要达到相同的光圈F 值，长焦距镜头的口径要比短焦距镜头的口径大。
3）视角FOV: 镜头所能覆盖的范围，(物体超过这个角就不会被收在镜头里), 一个摄像机镜头能涵盖多大范围的景物，通常以角度来表示，这个角度就叫镜头的视角FOV 。被摄对象透过镜头在焦点平面上结成可见影像所包括的面积，是镜头的视场。
4）景深：当某一物体聚焦清晰时，从该物体前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都当清晰的。焦点相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深。景深分为前景深和后景深，当镜头对准被摄景物时，被摄景物前面的清晰范围叫前景深，后面的清晰范围叫后景深。后景深大于前景深。景深越深，那么离焦点远的景物也能够清晰，而景深浅，离焦点远的景物就模糊。
5）焦距, 光圈, 视角, 景深的关系
5.1在光圈系数和拍摄距离都相同的情况下，镜头焦距越短，景深范围越大；镜头焦距越长，景深范围越小。
5.2对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大。
5.3相同焦距的镜头在不同规格传感器上，传感器尺寸越大，视角越大，传感器尺寸越小，视角越小；
6. 镀膜:
光是一种电磁波:(在真空中的）可见光波长范围是700~400nm ；红外光为约700 到107nm 量级; 紫外光1-400nm ；比紫外光短的还有X 射线、γ射线（
6.1光学薄膜在光学系统中的作用
提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。
通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带通滤光片、长波通、短波通滤光片。 实现某些特定功能。如ITO 透明导电膜、保护膜等
6.2滤光片IR-CUT:
自然界存在着各种波长的光线，通过折射人眼能看到不同颜色的光线，这就是光线的波长不同所导致的。其实还有许多光线是人眼看不到的，人眼识别光线的波长范围大概在400nm-700nm 之间，超过700nm 的光线人眼就无法见到，比如红外光等。随着科学的进步，人类发明了摄像机，理论上讲摄像机可以看到绝大部分波长的光线，但在摄像机的使用过程中就出现了一个问题，由于各种光线的参杂，摄像机看到的物体反映在监视器上与人眼直接看到的就变样了。如人眼看到绿色，通过摄像机则变成蓝色，产生彩色失真。为解决色彩失真问题，一般在Sensor 前贴有一低通滤片，该滤片阻碍了红外光的进出，故白天彩色不失
真.
7. 感光器件CCD （电荷藕合）, CMOS（互补金属氧化物导体）
1）日夜两用形850波长
2） 日夜两用形940波长
三、视频眼镜
视频眼镜其实就是头戴虚拟显示器的一种。因为眼镜式显示器外形象眼镜，同时专为大屏幕显示音视频播放器的视频图像的，所以形象的称呼其为视频眼镜
3.1 视频眼镜显示原理
通过光学系统（主要是精密光学透镜）放大超微显示屏上的图像，进而呈现于观看者眼中大屏幕图像。形象说就是拿放大镜看物体呈现出放大的虚拟物体图像。
3.2 背景和起源
视频眼镜起源于军事，所以美国和以色列在技术和军事应用上都是最强的，同时作为精密制造的日本，在技术上和商业应用上也是走在世界先进行列的。韩国的视频眼镜发展也很好。欧盟，尤其是西欧，大有后来追上的势头，在OLED 超微显示屏和3G 应用上抢先一步。在游戏应用上，美国还是走在最前列的。作为制造大国的中国，其在生产成本上有得天独厚的优势，同时又避免了其它行业的只重视生产仿制而不重视研发的弊端，在视频眼镜的研发上中国正在崛起，这其中尤以爱视代、亿思达、富瑞丰科技、长虹为代表。凭借优厚的生产优势，加上雄厚而相对低成本的技术和研发人才，以及国内完善的电子产业链和崛起的风险投资，中国很快将和美国、以色列、日本并驾齐驱甚至赶超。
3.3 视频眼镜的组成
视频眼镜主要包括主板、超微显示屏、透镜；以后随着发展将融合音视频等功能，从而增加主板功能。
3.4 视频眼镜的应用
1）当前的应用
主要是作为配件与音频设备一道使用：
1. 和苹果IPOD 、Iphone 一道使用；
2. 和超便携式DVD 以及车载DVD 一道使用；
3. 和MP4的便携音视频电子设备一道使用；
4. 和CMMB 、DMB-T 或DMB-TH 手持数字电视设备连接使用，甚至是模拟信号的手持电视
设备连接使用；
5. 和索尼、任天堂、微软等游戏机或掌上游戏机连接使用。
2）未来应用
1. 视频眼镜在商业使用上就是极好的解决了便携音视频设备和功能强大的超便携电子设备的矛盾：体积要精巧和显示要大视觉的矛盾。
2. 在世界范围内，各大厂商都在争相研发虚拟现实游戏。
3. 除去虚拟现实游戏，视频眼镜在虚拟现实系统中也是不可或缺的组成核心之一，尤其是科研、生产、设计等上的虚拟现实系统。
4. 医学领域，随着医疗科技的发展，诸如内窥镜等设备的得到大规模的发展，为了便于医生观看和感知，视频眼镜就成了绝佳显示设备。
5. 随着无线技术的大发展，无线监控得到强有力发展，无线监控和视频眼镜的结合就是随时随身监控，而不是现在的定点定显示器的监控。
6. 军事上，视频眼镜在军事航空和数字士兵上的应用已经在美国得到跨越式发展。视频眼镜将成为世界范围内军队士兵的必备“武器”之一。
3.5视频眼镜的