ccd摄像机基础知识.docx

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ccd摄像机基础知识

ccd摄像机基础知识

前言  什么是ccd？

在闭路监控系统中，摄像机又称摄像头或ccd（chargecoupleddevice）即电荷耦合元器件。

严格来说，摄像机是摄像头和镜头的总称，而实际上，摄像头与镜头大部分是分开购买的，用户根据目标物体的大小和摄像头与物体的距离，通过计算得到镜头的焦距，所以每个用户需要的镜头都是依据实际情况而定的，不要以为摄像机（头）上已经有镜头。

    摄像头的主要传感部件是ccd，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点，ccd能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移，也可将储存之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄象元件。

是代替摄像管传感器的新型器件。

      摄物体的图像经过镜头聚焦至ccd芯片上，ccd根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。

视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。

这个标准的视频信号同家用的录像机、vcd机、家用摄像机的视频输出是一样的，所以也可以录像或接到电视机上观看。

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第一章摄像机发展史

第一节ccd发展简史

    ccd产品问世已有30多年，从当时的20万像素发展到目前的500—800万像素，无论其市场规模还是其应用面，都得到了巨大的发展，可以说是在平稳中逐步提高，特别是近几年来，在消费领域中的应用发展速度更快。

    由于ccd的技术生产工艺复杂，目前业界只有索尼、飞利浦、柯达、松下、富士和夏普６家厂商可以批量生产，而其中最主要的供商应是索尼，飞利浦和柯达，其中，在各厂商市占率方面，索尼以50％的市占率，成为市场领导厂商。

索尼从70年代研发ccd以来，即将其广泛运用在摄录放影机及广播电视等专业用摄影机等器材上，目前索尼的研发水平仍是领先于其它公司之上

目前的ccd组件，每一个像素的面积和开发初期比较起来，己缩小到1/10以下。

今后在应用产品趋向小型化，高像素的要求下，单位面积将会更加的缩小。

在小型化的同时，利用各种新开发的技术，使其感光度不会因为单位面积缩小而受到影响，也同时要求其性能维持或向上提升。

以下是索尼公司按年代划分而发展的ccd传感器简介：

1、had感测器

  had（hole-accumulationdiode）传感器是在n型基板，p型，n+2极体的表面上，加上正孔蓄积层，这是sony独特的构造。

由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。

另外，在n型基板上设计电子可通过的垂直型隧道，使得开口率提高，换句换说，也提高了感度。

在80年代初期，索尼将其领先使用在可变速电子快门产品中，在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图象。

2、on-chipmicrolens

    80年代后期，因为ccd中每一像素的缩小，将使得受光面积减少，感度也将变低。

为改善这个问题，索尼在每一感光二极管前装上微小镜片，使用微小镜片后，感光面积不再因为感测器的开口面积而决定，而是以微小镜片的表面积来决定。

所以在规格上提高了开口率，也使感亮度因此大幅提升。

3、superhadccd

    进入９０年代后期以来，ccd的单位面积也越来越小，1989年开发的微小镜片技术，已经无法再提升感亮度，如果将ccd组件内部放大器的放大倍率提升，将会使杂讯也被提高，画质会受到明显的影响。

索尼在ccd技术的研发上又更进一步，将以前使用微小镜片的技术改良，提升光利用率，开发将镜片的形状最优化技术，即索尼superhadccd技术。

基本上是以提升光利用效率来提升感亮度的设计，这也为目前的ccd基本技术奠定了基础。

4、newstructureccd

    在摄影机的光学镜头的光圈f值不断的提升下，进入到摄影机内的斜光就越来越多，使得入射到ccd组件的光无法百分之百的被聚焦到感测器上，而ccd感测器的感度将会降低。

１９９８年索尼公司为改善这个问题，将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的镜片。

加上这层镜片后可以改善内部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。

而且同时将硅基板和电极间的绝缘层薄膜化，让会造成垂直ccd画面杂讯的讯号不会进入，使smear特性改善。

5、exviewhadccd

比可视光波长更长的红外线光，也可以在半导体硅芯片内做光电变换。

可是至当前为止，ccd无法将这些光电变换后的电荷，以有效的方法收集到感测器内。

为此，索尼在1998年新开发的“exviewhadccd”技术就可以将以前未能有效利用的近红外线光，有效转换成为映像资料而用。

使得可视光范围扩充到红外线，让感亮度能大幅提高。

利用“exviewhadccd”组件时，在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。

而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时，会漏出到垂直ccd部分的smear成分，也可被收集到传感器内，所以影响画质的杂讯也会大幅降低。

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第一节      ccd芯片的选择

ccd芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。

目前市场上大部分摄像头采用的是日本sony、sharp、松下、lg等公司生产的芯片，现在韩国也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。

因为芯片生产时产生不同等级，各厂家获得途径不同等原因，造成ccd采集效果也大不相同。

在购买时，可以采取如下方法检测：

接通电源，连接视频电缆到监视器，关闭镜头光圈，看图像全黑时是否有亮点，屏幕上雪花大不大，这些是检测ccd芯片最简单直接的方法，而且不需要其它专用仪器。

然后可以打开光圈，看一个静物，如果是彩色摄像头，最好摄取一个色彩鲜艳的物体，查看监视器上的图像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。

好的ccd可以很好的还原景物的色彩，使物体看起来清晰自然；而残次品的图像就会有偏色现象，即使面对一张白纸，图像也会显示蓝色或红色。

个别ccd由于生产车间的灰尘，ccd靶面上会有杂质，在一般情况下，杂质不会影响图像，但在弱光或显微摄像时，细小的灰尘也会造成不良的后果，如果用于此类工作，一定要仔细挑选。

第二章            摄像机的主要技术参数

一、ccd尺寸

即摄象机靶面。

目前采用的芯片大多数为1/3”和1/4”。

在购买摄像头时，特别是对摄像角度有比较严格要求的时候，ccd靶面的大小，ccd与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。

在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。

1英寸——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。

2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。

1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。

1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。

1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。

二、ccd像素

是ccd的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。

ccd是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。

现在市场上大多以25万和38万像素为划界，38万像素以上者为高清晰度摄象机。

三、水平分辨率

分辨率是用电视线（简称线tvlines）来表示的。

彩色摄象机的典型分辨率是在320到500电视线之间，主要有330线、380线、420线、460线、500线等不同档次。

分辨率与ccd和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通常规律是1mhz的频带宽度相当于清晰度为80线。

频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。

四、最小照度

照度又称灵敏度。

是ccd对环境光线的敏感程度，或者说是ccd正常成像时所需要的最暗光线。

照度的单位是勒克斯（lux），数值越小，表示需要的光线越少，摄像头也越灵敏。

照度是反映光照强度的一种单位，单位是每平方米的流明数，1lux大约等于1烛光在1米距离的照度

1lux=1lm/m*m（lm是光通量的单位）

黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5lux（勒克斯），彩色摄像机多在1lux以上。

摄像的灵敏度与镜头f值有关，0.97lux/f0.75相当于2.5lux/f1.2相当于3.4lux/f1.0

    普通型：

正常工作所需照度1~3lux

    月光型：

正常工作所需照度0.1lux左右

    星光型：

正常工作所需照度0.01lux以下

    红外型：

采用红外灯照明，在没有光线的情况下也可以成像

参考环境与照度：

参照环境

大概照度

参照环境

大概照度

夏日阳光下

100000lux

室内日光灯

100lux

阴天室外

10000lux

黄昏室内

10lux

电视台演播室

1000lux

20cm处烛光

10-15lux

距60w台灯60cm桌面

300lux

夜间路灯

0.1lux

照度值不仅与镜头的光圈大小（f值）有关，与测试时的周边环境也有着较大的关系，以光圈大小（f值）而言，光圈愈大则其所代表的f值愈小，所需的照度愈低。

五、扫描制式

根据各国供电所采用的频率不同，有pal制和ntsc制之分。

50hz：

pal制，隔行扫描（pal）制式（黑白为ccir），标准为625行，50场。

60hz：

ntsc制式，525行，60场（黑白为eia）。

六、摄象机电源

交流有220v、110v、24v，直流为12v或9v。

七、信噪比

当摄像机摄取较亮场景时，监视器显示的画面通常比较明快，观察者不易看出画面中的干扰噪点；而取较暗场景时，监视器显示的画面就比较昏暗，观察者很容易看到画面中雪花状的干扰噪点。

干扰噪点的强弱与摄像机的信噪比指标有直接关系，即信噪比越高，干扰噪点对画面的影响就越小。

信噪比是信号电压对于噪声电压的比值，通常用符号s/n来表示。

由于在一般情况下，信号电压远高于噪声电压，比值非常大，信噪比的单位用db来表示。

一般摄像机给出的信噪比值均是在agc（自动增益控制）关闭时的值，因为当agc接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。

信噪比的典型值为45~55db，若为50db，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60db，则图像质量优良，不出现噪声。

八、视频输出

1vp-p、75ω，采用bnc接头。

九、镜头安装方式

有c和cs方式，两者的螺纹均为1英寸32牙，直径为1英寸，差别是镜头距ccd靶面的距离不同。

c式安装座从基准面到焦点的距离为17.562毫米，比cs式距离ccd靶面多一个专用接圈的长度，cs式距焦点距离为12.5毫米。

在安装镜头前，先看一看摄像头和镜头是不是同一种接口方式，如果不是，就需要根据具体情况增减接圈。

有的摄像头不用接圈，而采用后像调节环（如松下产品），调节时，用螺丝刀拧松调节环上的螺丝，转动调节环，此时ccd靶面会相对安装基座向后（前）运动，也起到接圈的作用。

另外（如sony，jvc）采用的方式类似后像调节环，它的固定螺丝一般在摄像机的侧面。

拧松后，调节顶端的一个齿轮，也可以使图象清晰而不用加减接圈。

十、同步方式

对单台摄象机而言，主要的同步方式有下列三种：

    内同步——利用摄象机内部的晶体振荡电路产生同步信号来完成操作。

    外同步——利用一个外同步信号发生器产生的同步信号送到摄象机的外同步输入端  来实现同步。

    电源同步——也称之为线性锁定或行锁定，是利用摄象机的交流电源来完成垂直推动同步，即摄象机和电源零线同步。

十一、自动增益控制

所有摄象机都有一个将来自ccd的信号放大到可以使用水准的视频放大器，其放大量即增益，将微弱的信号放大到能正常使用，从而使摄像机能在亮度较低的环境下使用。

然而在亮光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。

需利用摄象机的自动增益控制（agc）电路去探测视频信号的电平，适时地开关agc，从而使摄象机能够在较大的光照范围内工作，即在低照度时自动增加摄象机的灵敏度，从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。

而照度较高时能自动降低增益放大倍数，保证图像不发生畸变。

自动增益打开时，信号电压和噪声电压被同时放大，信噪比将会减小。

此时的噪点也会比较明显。

十二、背光补偿

通常，摄象机的自动增益控制是通过对整个视场的平均亮度来调节增益的，但如果视场中包含一个很亮的背景区域，而观察的主体目标处于亮场的包围中，画面会显示一片昏暗，无层次。

放大器检测到的信号平均电平很高，增益的倍数也随之减少，无法改进画面主体目标的明暗度。

    当背景光补偿为开启时，摄象机仅对整个视场的部份区域进行检测，来得到整个视场的平均信号电平，从而确定agc电路的工作值。

由于子区域的平均电平很低，所以增益也会较高。

整个画面都会更加明亮。

十三、电子快门

这是一个类比于照像机的机械快门功能提出的一个术语，相当于控制ccd图像传感受器的感光时间，感光时间越长，电荷积累时间也就越长，输出信号电流的强度也就越大。

在照度较高的地方，感光时间要求短些，否则画面会偏白。

在照度较低的地方，感光时间要求长些，这样画面会积累较多的电荷，从而使图像变得清晰。

ccd摄像机的电子快门还可以有效的防止高速移动物体的拖影现象。

十四、白平衡

图像的各种色彩是由红、绿、蓝三种颜色组成的，当电路中的红、绿、蓝三种色彩各自的的信号电压相等时，可以在监视器上输出纯白色的被摄景物，此时称之为白平衡。

此时，摄像机能够显示最真实的被摄物体。

白平衡如果未调节好，显示的画面将出现偏色（红、蓝、绿）的情况。

白平衡设置有两种方式，自动白平衡和手动白平衡

a、  自动白平衡

连续方式——此时白平衡设置将随着景物色彩温度的改变而连续地调整，范围为2800~6000k。

这种方式对于景物的色彩温度在拍摄期间不断改变的场合是最适宜的，使色彩表现自然，但对于景物中很少甚至没有白色时，连续的白平衡不能产生最佳的彩色效果。

按钮方式——先将摄象机对准诸如白墙、白纸等白色目标，然后将自动方式开关从手动拨到设置位置，保留在该位置几秒钟或者至图像呈现白色为止，在白平衡被执行后，将自动方式开关拨回手动位置以锁定该白平衡的设置，此时白平衡设置将保持在摄象机的存储器中，直至再次执行被改变为止，其范围为2300~10000k，在此期间，即使摄象机断电也不会丢失该设置。

以按钮方式设置白平衡最为精确和可靠，适用于大部分应用场合。

b、手动白平衡

开手动白平衡将关闭自动白平衡，此时改变图像的红色或兰色状况有多达107个等级供调节，如增加或减少红色各一个等级、增加或减少兰色各一个等级。

除次之外，有的摄象机还有将白平衡固定在3200k（白炽灯水平）和5500k（日光水平）等档次命令。

十五、低速快门（slow/shutter）

    此类的摄影机获得低照度下图像的方法是通过电荷单帧累积方式增加ccd在单帧图  像的爆光量，从而提高摄像机对单帧图像的灵敏度。

这种方式也可以获得较低的照度指针，但是需要降低图像的连贯程度，所以选择这种摄像机时要注意尽可能不要同云台一起使用，否则会造成丢失画面的现象。

在获得低照度下图像上还有一些其它的办法，但都不能从根本上解决照度问题。

    此类摄像机又称为（画面）累积型摄像机，是利用计算机内存的技术，连续将几个因光线不足而较显模糊的画面累积起来，成为一个影像清晰的画面，运用slowshutter技术降低摄像机照度至0.008lux/f1.2（×128），并且画面能够累积的帧数（128帧）是属于甚至包括进口品牌再内的领先水平。

此类型低照度摄像机适用于禁止红、紫外线破坏的博物馆，夜间生物活动观察，夜间军事海岸线监视等，属性较静态场所的监视。

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第一章  各种摄像机的概念及分析

一、彩色ccd摄像机

二、黑白ccd摄像机

三、一体化摄像机

四、日夜两用型ccd摄像机

五、超低照度摄像机

六、高速球型摄像机

七、dsp摄像机

在模拟制式的基础上引入部分数字化处理技术，称为数字信号处理（dsp，digitalsignalprocessor）摄象机。

该种摄象机具有以下优点：

１、由于采用了数字检测和数字运算技术而具有智能化背景光补偿功能。

常规摄象机要求被摄景物置于画面中央并要占据较大的面积方能有较好的背景光补偿，否则过亮的背景光可能会降低图像中心的透明度。

而dsp摄象机是将一个画面划分成48个小处理区域来有效地检测目标，这样即使是很小的、很薄的或不在画面中心区域的景物均能清楚地呈现。

２、由于dsp技术而能自动跟踪白平衡，即可以在任何条件检测和跟踪“白色”，并以数字运算处理功能来再现原始的色彩。

传统的摄象机因系对画面上的全部色彩作平均处理，这样如果彩色物体在画面上占据很大面积，那么彩色重现将不平衡，也就是不能重现原始色彩。

dsp摄象机是将一个画面分成48个小处理区域，这样就能够有效地检测白色，即使画面上只有很小的一块白色，该摄象机也能跟踪它从而再现出原始的色彩。

在拍摄网格状物体时，可将由摄象机彩色噪声引起的图像混叠减至最少。

八、网络摄像机

九、自动跟踪的球型摄像机

十、超感度摄像机（exview/had）。

      一般的超低照度摄像机大都采用exviewhad技术，采用exviewhadccd的摄像机，对外界光线的敏感程度会大大提高，在近红外区域，其感度可以提高到普通摄像机的4倍。

因此，即使在非常暗的环境下，这种摄像机通常可以看到人眼看不到的物体，这一技术的出现受到了监控市场的欢迎，对各种光照环境下均可表现出最佳的效果，特别是配合专用的红外照明设备，可以得到高清晰度的黑白图像，实现0照度的监控（完全无光的情况下）。

在近红外760mm-1100mm的近红外区域，如果配合合适波长的红外照明，就可以实现清晰的黑白图像。

    超感度摄像机（exview/had），又称24小时摄像机，其彩色照度可达0.05lux，黑白则可达0.003-0.001lux（亦可搭配红外线以达0lux）不仅能清晰的辩识影像，更是实时连续的画面。

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第一章镜头

第一节镜头的主要功能

摄像机镜头是视频监视系统的最关键设备，它的质量（指标）优劣直接影响摄像机的整机指标，因此，摄像机镜头的选择是否恰当既关系到系统质量，又关系到工程造价。

    镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的。

当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物就变得模糊不清；摄像头与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像头的后焦点，改变ccd芯片与镜头基准面的距离（相当于调整人眼晶状体的位置），可以将模糊的图像变得清晰。

由此可见，镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。

工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道：

设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距，施工人员经常进行现场调试，其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。

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第一节    镜头的分类

  镜头的分类方法很多，从外形、安装方式、使用场所、实际功能、使用效果等都可以进行分类。

一、基础分类表

二、各类镜头详解

1．安装方式

所有的摄象机镜头均是螺纹口的，ｃｃｄ摄象机的镜头安装有两种工业标准，即ｃ安装座和ｃｓ安装座。

两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。

ｃ安装座：

从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm。

ｃｓ安装座：

特种ｃ安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。

其镜头安装基准面到焦点的距离是12.5mm。

如果要将一个ｃ安装座镜头安装到一个ｃｓ安装座摄象机上时，则需要使用镜头转换器。

2．镜头规格

摄象机镜头规格应视摄象机的ｃｃｄ尺寸而定，两者应相对应。

即摄象机的ｃｃｄ靶面大小为１／２英寸时，镜头应选１／２英寸。

摄象机的ｃｃｄ靶面大小为１／３英寸时，镜头应选１／３英寸。

摄象机的ｃｃｄ靶面大小为１／４英寸时，镜头应选１／４英寸。

如果镜头尺寸与摄象机ｃｃｄ靶面尺寸不一致时，观察角度将不符合设计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。

3．镜头光圈

镜头有手动光圈（manualiris）和自动光圈（autoiris）之分，配合摄象机使用。

手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合，自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整，故适用亮度变化的场合。

自动光圈镜头有两类：

一类是将一个视频信号及电源从摄象机输送到透镜来控制镜头上的光圈，称为视频输入型；另一类则利用摄象机上的直流电压来直接控制光圈，称为ｄｃ输入型。

自动光圈镜头上的ａｌｃ（自动镜头控制）调整用于设定测光系统，可以以整个画面的平均亮度，也可以以画面中最亮部分（峰值）来设定基准信号强度，供给自动光圈调整使用。

          ａｌｃ已在出厂时经过设定，可不作调整，但是对于拍摄景物中包含有一个亮度极高的目标时，明亮目标物之影像可能会造成"白电平削波"现象，而使得全部屏幕变成白色，此时可以调节ａｌｃ来变换画面。

自动光圈镜头装有光圈环，转动光圈环时，通过镜头的光通量会发生变化，光通量即光圈，一般用ｆ表示，其取值为镜头焦距与镜头通光口径之比，即：

ｆ＝f（焦距）／ｄ（镜头实际有效口径），ｆ值越小，则光圈越大。

采用自动光圈镜头，

在诸如太阳光直射等非常亮的情况下，用自动光圈镜头可有较宽的动态范围。

要求在整个视野有良好的聚焦时，用自动光圈镜头有比固定光圈镜头更大的景深。

要求在亮光上因光信号导致的模糊最小时，应使用自动光圈镜头。

4．镜头的视场大小

标准镜头：

视角３０度左右，在１／２英寸ｃｃｄ摄象机中，标准镜头焦距定为１２mm，在１／３英寸ｃｃｄ摄象机中，标准镜头焦距定为８mm。

广角镜头：

视角９０度以上，焦距可小于几毫米，可提供较宽广的视景。

远摄镜头：

视角２０度以内，焦距可达几米甚至几十米，此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大，但使观察范围变小。

变倍镜头（zoomlens）：

也称为伸缩镜头，有手动变倍镜头和电动变倍镜头两类。

可变焦点镜头（vari-focuslens）：

它介于标准镜头与广角镜头之间，焦距连续可变，即可将远距离物体放大，同时又可提供一个宽广视景，使监视范围增加。

变焦镜头可通过设置自动聚焦于最小焦距和最大焦距两个位置，但是从最小焦距到最大焦距之间的聚焦，则需通过手动聚焦实现。

针孔镜头：

镜头直径几毫米，可隐蔽安装。

5．镜头焦距

短焦距镜头：

因入射角较宽，可提供一个较宽广的视野。

中焦距镜头：

标准镜头，焦距的长度视ｃｃｄ的尺寸而定。

长焦距镜头：

因入射角较狭窄，故仅能提供狭窄视景，适用于长距离监视。

变焦距镜头：

通常为电动式，可作广角、标准或远望等镜头使用。

第二节镜头常用术语及其意义

1.iris（光圈）

2.focus（聚焦）

3.zoom（变焦）

4.f-stop（光圈孔径）

5.focuslength（焦距）

6．f:

代表光圈孔徑:

f1.2,f1.4,f1.6,f1.8,f2.0,數值越小代表光圈可開啟越大進光量越強;

7.f.代表焦距范围f:

4mm;f:

6mm;f:

8mm等;

8.zoomlensf:

8-48;f:

8-80;f:

7.5-120等

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