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镜头的成像原理及特性

镜头的成像原理
      镜头的成像是以凸透镜成像的原理为基础,通过透镜的组合,把物体发出或者反射的光线成像在像平面上(与芯片面重合) 。运用凹凸透镜组合能有效地平衡球差、轴外像差、色差等各种像差,提高成像质量。
        






技术指标介绍
1、焦点/焦距
      与光轴平行的光线射入凸透镜时,理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后,再以锥状扩散开来,这个聚集所有光线的点叫做焦点。对于单个透镜来说,焦距是指从光心到焦点的距离,如图一;对于多个透镜组成的镜头组来说,焦距是指像方主平面到焦点的距离,如图二。

2、光圈  
      在镜头内部,有一个多边形或者圆形且面积可变的孔状光栅装置,这个装置就叫做光圈。光圈的作用是控制镜头的通光量,通常用光圈系数来描述其大小。光圈系数是指镜头焦距    与整个镜头入瞳直径D的比值,通常用f/#来表示。其计算公式:f/#=f′/D。
      
     






      f/#值越小,光圈越大。一般f/#值是以√2倍递增,因此光圈常用的计数为F1.4,F2.0,F2.8,F4.0……在同一单位时间内上一级的通光面积是下一级的两倍,例如光圈从f/8调整到f/5.6,通光面积便增加一倍。
        




      光圈对图片亮度的影响:相同应用条件下,同一镜头,光圈越大,通光孔径越大,图片越亮。
      







3、工作距离
       工作距离(Working Distance):镜头聚焦清晰时,被测目标到镜头最前端的距离称为工作距离。实际应用中,镜头不能对任意物距下的目标都同时聚焦清晰,因此镜头的工作距离有一定范围。 


4、视场角/视野
 1、视场角
        在光学工程中,视场角是指镜头对图像传感器的张角,即若y'为Sensor的半对角线长度,则视场角2θ≈2*arctan(y'/f')。
 2、视野
        视野(Field of View, FoV),也叫视场范围,是指镜头能观测到的实际范围。镜头的视野大小和相机的分辨率,决定视觉系统所能达到的视觉检测精度。



         相同的工作距离下,焦距越短,视场角越大,视野也就越大;相同的焦距下,视场角一定,工作距离越远,视野越大。  


5、放大倍率
 放大倍率定义为像的大小与物的大小之比。 
        -1<β <0时,物像异侧,成倒立缩小的实像,如AA′所示,这就是镜头的成像原理。
        β=-1时,物像异侧,成倒立等大的实像,如BB′所示。
        β<-1时,物像异侧,成倒立放大的实像,如CC′所示,这就是显微镜的成像原理。
        β>0时,物像同侧,成正立放大的虚像,如DD′所示,这就是放大镜的成像原理。



6、分辨率
         分辨率是指光学系统可以测到的被测物体上的最小可分辨特征尺寸。镜头能分辨物体的细节越小,镜头的分辨率就越高。通常用像面处每毫米能够分辨的黑白相间的条纹对数(lp/mm)描述。
         在实际应用中,建议镜头的分辨率不低于相机的分辨率。


7、景深
        景深:能在像平面上获得清晰像的物方空间深度。即:在被摄物平面(对焦点)前后一定范围内的物体,在无需调焦的情况下,其成像仍然清晰,这段可清晰成像空间深度就是景深。


影响景深的主要因素
1、镜头光圈
       光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大。
2、镜头焦距
       镜头焦距越长,景深越小;焦距越短,景深越大。
3、拍摄距离
       距离越远,景深越大;距离越近,景深越小。
镜头光圈对景深的影响
上面两张图同为OPT-C3514-5M镜头在相同工作距离下拍摄。左图的光圈为F1.4,右图的光圈为F16,可以看出右图的景深比左图的景深大。
镜头焦距对景深的影响
        上面两张图片是在相同的光圈,相同的工作距离下拍摄的。左图是用OPT-C1218-5M拍摄的,焦距f’=12mm;右图则是用OPT-C3514-5M拍摄的,焦距f’=35mm。可以看出左图的景深比右图的景深大。

工作距离对景深的影响
        上面两张图片是用镜头OPT-C3514-5M,在光圈相同的前提下,改变工作距离拍摄的。左图是的工作距离是1.2m,右图的工作距离是4.2m,可以看出右图的景深比左图的景深大。



8、光学畸变
        光学畸变(distortion):由于镜头在不同视场放大倍率的不一样,使得像相对于物体失去相似性,这种像变形的缺陷称为光学畸变。光学畸变只影响成像的几何形状,并不影响成像的清晰度。常见的光学畸变主要有两种类型,桶形畸变和枕形畸变(如图)。


9、TV畸变
        TV畸变是图像的视觉畸变的度量,TV畸变的定义有很多 。其中RIAA TV畸变计算公式如下:
10、后截距
1、法兰距:镜头法兰面到像面(芯片)的距离。
2、机械后截距:镜头最后的机械面到像面的距离。
3、光学后截距:镜头最后端镜片表面顶点到像面的距离。
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