鏡頭的成像原理

鏡頭的(de)(de)成(cheng)像(xiang)是以凸(tu)透(tou)鏡成(cheng)像(xiang)的(de)(de)原理為基礎，通過透(tou)鏡的(de)(de)組(zu)合，把物(wu)體發出或者反射(she)的(de)(de)光線成(cheng)像(xiang)在像(xiang)平(ping)面(mian)上(與芯片(pian)面(mian)重合)。運用凹凸(tu)透(tou)鏡組(zu)合能有效地(di)平(ping)衡球差(cha)(cha)、軸外(wai)像(xiang)差(cha)(cha)、色(se)差(cha)(cha)等各種像(xiang)差(cha)(cha)，提高(gao)成(cheng)像(xiang)質量。

技術指標介紹

1、焦點/焦距

與光(guang)(guang)(guang)軸平(ping)行(xing)的(de)光(guang)(guang)(guang)線射入凸(tu)透鏡(jing)時，理想的(de)鏡(jing)頭(tou)應該是(shi)(shi)所(suo)有的(de)光(guang)(guang)(guang)線聚(ju)集在(zai)一點(dian)(dian)(dian)后，再以錐狀擴散開來，這個(ge)(ge)聚(ju)集所(suo)有光(guang)(guang)(guang)線的(de)點(dian)(dian)(dian)叫做焦點(dian)(dian)(dian)。對于單個(ge)(ge)透鏡(jing)來說，焦距(ju)是(shi)(shi)指從光(guang)(guang)(guang)心(xin)到(dao)焦點(dian)(dian)(dian)的(de)距(ju)離，如圖(tu)一；對于多(duo)個(ge)(ge)透鏡(jing)組成的(de)鏡(jing)頭(tou)組來說，焦距(ju)是(shi)(shi)指像方主(zhu)平(ping)面到(dao)焦點(dian)(dian)(dian)的(de)距(ju)離，如圖(tu)二。

2、光圈

在鏡(jing)(jing)頭(tou)內(nei)部，有一個多邊形(xing)或者圓形(xing)且面積(ji)可變的孔狀光(guang)柵(zha)裝置(zhi)，這個裝置(zhi)就叫做(zuo)光(guang)圈。光(guang)圈的作用是控制鏡(jing)(jing)頭(tou)的通光(guang)量，通常用光(guang)圈系數來(lai)描述其(qi)(qi)大小。光(guang)圈系數是指鏡(jing)(jing)頭(tou)焦距(ju)與整個鏡(jing)(jing)頭(tou)入瞳(tong)直徑D的比(bi)值，通常用f/#來(lai)表示。其(qi)(qi)計算公式：f/#=f′/D。

f/#值越小(xiao)，光(guang)圈(quan)越大。一般(ban)f/#值是以√2倍(bei)遞增，因此光(guang)圈(quan)常用的(de)計數為(wei)F1.4，F2.0，F2.8，F4.0……在(zai)同一單(dan)位時間內上一級的(de)通光(guang)面積是下一級的(de)兩倍(bei)，例如光(guang)圈(quan)從f/8調整到f/5.6，通光(guang)面積便(bian)增加一倍(bei)。

光圈(quan)對圖片(pian)亮(liang)度的影響：相同應用條件下(xia)，同一鏡頭(tou)，光圈(quan)越大，通光孔(kong)徑越大，圖片(pian)越亮(liang)。

3、工作距離

工(gong)(gong)作(zuo)距離(li)(WorkingDistance)：鏡(jing)(jing)頭(tou)聚焦清(qing)晰時，被測目標(biao)到鏡(jing)(jing)頭(tou)最前端的距離(li)稱(cheng)為工(gong)(gong)作(zuo)距離(li)。實際應用中，鏡(jing)(jing)頭(tou)不能對(dui)任意物距下的目標(biao)都(dou)同時聚焦清(qing)晰，因(yin)此鏡(jing)(jing)頭(tou)的工(gong)(gong)作(zuo)距離(li)有一定范圍。

4、視場角/視野

①　視場角

在(zai)光學工(gong)程中，視(shi)場角是指鏡頭對圖像傳感器的(de)張角，即若y'為Sensor的(de)半對角線長(chang)度，則視(shi)場角2θ≈2*arctan(y'/f')。

②　視野

視野(ye)(FieldofView,FoV)，也叫視場(chang)范圍，是指鏡(jing)頭(tou)能觀(guan)測(ce)到的(de)實(shi)際(ji)范圍。鏡(jing)頭(tou)的(de)視野(ye)大小和相機的(de)分辨率，決定視覺(jue)系(xi)統所能達到的(de)視覺(jue)檢(jian)測(ce)精度。

相同的工(gong)作距(ju)(ju)離下，焦(jiao)距(ju)(ju)越(yue)短，視(shi)場角越(yue)大(da)，視(shi)野(ye)也就越(yue)大(da)；相同的焦(jiao)距(ju)(ju)下，視(shi)場角一定(ding)，工(gong)作距(ju)(ju)離越(yue)遠(yuan)，視(shi)野(ye)越(yue)大(da)。

5、放大倍率

放大倍率定(ding)義為像的大小(xiao)與物的大小(xiao)之比。

-1＜β＜0時(shi)，物像(xiang)(xiang)(xiang)異(yi)側，成倒立縮小的實(shi)像(xiang)(xiang)(xiang)，如AA′所示，這就(jiu)是鏡(jing)頭(tou)的成像(xiang)(xiang)(xiang)原理。

β=-1時，物像(xiang)異側，成倒立(li)等大的(de)實像(xiang)，如BB′所示。

β＜-1時(shi)，物像異側，成(cheng)倒(dao)立放大的實像，如(ru)CC′所示，這就是顯微鏡的成(cheng)像原理。

β＞0時(shi)，物像同側，成正立放(fang)大的(de)虛像，如DD′所示，這就是放(fang)大鏡(jing)的(de)成像原理。

6、分辨率

分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率是指光(guang)學系統可以測到(dao)的(de)(de)(de)被測物(wu)(wu)體(ti)上的(de)(de)(de)最小可分(fen)(fen)(fen)辨(bian)特征尺寸(cun)。鏡頭能(neng)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)物(wu)(wu)體(ti)的(de)(de)(de)細節越(yue)小，鏡頭的(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率就越(yue)高。通常用像面處(chu)每毫米能(neng)夠分(fen)(fen)(fen)辨(bian)的(de)(de)(de)黑白相(xiang)間(jian)的(de)(de)(de)條紋對(dui)數(lp/mm)描述。

在實際應用(yong)中，建議(yi)鏡頭的(de)(de)分辨率(lv)不低于相(xiang)機的(de)(de)分辨率(lv)。

7、景深

景(jing)深：能(neng)在像(xiang)(xiang)平(ping)面(mian)上獲得清(qing)(qing)(qing)晰(xi)像(xiang)(xiang)的(de)(de)物方空(kong)間(jian)深度。即：在被(bei)攝物平(ping)面(mian)(對焦點)前后一定(ding)范圍內的(de)(de)物體，在無(wu)需調焦的(de)(de)情況下，其成像(xiang)(xiang)仍然(ran)清(qing)(qing)(qing)晰(xi)，這段可清(qing)(qing)(qing)晰(xi)成像(xiang)(xiang)空(kong)間(jian)深度就是景(jing)深。

影響景深的主要因素

①　鏡頭光圈

光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。

②　鏡頭焦距

鏡頭焦(jiao)距越長(chang)，景深越小(xiao)；焦(jiao)距越短，景深越大。

③　拍攝距離

距離越(yue)(yue)遠，景深(shen)越(yue)(yue)大(da)；距離越(yue)(yue)近，景深(shen)越(yue)(yue)小。

8、光學畸變

光學畸(ji)(ji)變(distortion)：由(you)于(yu)鏡頭在不同視場放大(da)倍(bei)率的不一樣，使(shi)得像(xiang)相對于(yu)物體失去相似(si)性(xing)，這種像(xiang)變形(xing)的缺陷稱為光學畸(ji)(ji)變。光學畸(ji)(ji)變只影(ying)響成(cheng)像(xiang)的幾何形(xing)狀，并不影(ying)響成(cheng)像(xiang)的清(qing)晰度。常見的光學畸(ji)(ji)變主要有(you)兩(liang)種類型，桶(tong)形(xing)畸(ji)(ji)變和(he)枕形(xing)畸(ji)(ji)變(如圖(tu))。

9、TV畸變

TV畸(ji)變(bian)是圖(tu)像的(de)視(shi)覺畸(ji)變(bian)的(de)度量，TV畸(ji)變(bian)的(de)定(ding)義有很多。其中RIAATV畸(ji)變(bian)計(ji)算公(gong)式如(ru)下：

10、后截距

①　法蘭(lan)距(ju)：鏡(jing)頭法蘭(lan)面到像面(芯片)的(de)距(ju)離。

②　機械后截距(ju)：鏡(jing)頭最后的(de)機械面到像面的(de)距(ju)離(li)。

③　光學(xue)后截距：鏡(jing)頭最后端(duan)鏡(jing)片(pian)表面頂(ding)點到像面的距離(li)。