鏡頭的成像原理

鏡頭的成像是以凸透鏡成像的原理為基礎(chǔ)，通過透鏡的組合，把物體發(fā)出或者反射的光線成像在像平面上(與芯片面重合)。運用凹凸透鏡組合能有效地平衡球差、軸外像差、色差等各種像差，提高成像質(zhì)量。

技術(shù)指標介紹

1、焦點/焦距

與光軸平行的光線射入凸透鏡時，理想的鏡頭應(yīng)該是所有的光線聚集在一點后，再以錐狀擴散開來，這個聚集所有光線的點叫做焦點。對于單個透鏡來說，焦距是指從光心到焦點的距離，如圖一；對于多個透鏡組成的鏡頭組來說，焦距是指像方主平面到焦點的距離，如圖二。

2、光圈

在鏡頭內(nèi)部，有一個多邊形或者圓形且面積可變的孔狀光柵裝置，這個裝置就叫做光圈。光圈的作用是控制鏡頭的通光量，通常用光圈系數(shù)來描述其大小。光圈系數(shù)是指鏡頭焦距與整個鏡頭入瞳直徑D的比值，通常用f/#來表示。其計算公式：f/#=f′/D。

f/#值越小，光圈越大。一般f/#值是以√2倍遞增，因此光圈常用的計數(shù)為F1.4，F(xiàn)2.0，F(xiàn)2.8，F(xiàn)4.0……在同一單位時間內(nèi)上一級的通光面積是下一級的兩倍，例如光圈從f/8調(diào)整到f/5.6，通光面積便增加一倍。

光圈對圖片亮度的影響：相同應(yīng)用條件下，同一鏡頭，光圈越大，通光孔徑越大，圖片越亮。

3、工作距離

工作距離(WorkingDistance)：鏡頭聚焦清晰時，被測目標到鏡頭最前端的距離稱為工作距離。實際應(yīng)用中，鏡頭不能對任意物距下的目標都同時聚焦清晰，因此鏡頭的工作距離有一定范圍。

4、視場角/視野

①　視場角

在光學(xué)工程中，視場角是指鏡頭對圖像傳感器的張角，即若y'為Sensor的半對角線長度，則視場角2θ≈2*arctan(y'/f')。

②　視野

視野(FieldofView,FoV)，也叫視場范圍，是指鏡頭能觀測到的實際范圍。鏡頭的視野大小和相機的分辨率，決定視覺系統(tǒng)所能達到的視覺檢測精度。

相同的工作距離下，焦距越短，視場角越大，視野也就越大；相同的焦距下，視場角一定，工作距離越遠，視野越大。

5、放大倍率

放大倍率定義為像的大小與物的大小之比。

-1＜β＜0時，物像異側(cè)，成倒立縮小的實像，如AA′所示，這就是鏡頭的成像原理。

β=-1時，物像異側(cè)，成倒立等大的實像，如BB′所示。

β＜-1時，物像異側(cè)，成倒立放大的實像，如CC′所示，這就是顯微鏡的成像原理。

β＞0時，物像同側(cè)，成正立放大的虛像，如DD′所示，這就是放大鏡的成像原理。

6、分辨率

分辨率是指光學(xué)系統(tǒng)可以測到的被測物體上的最小可分辨特征尺寸。鏡頭能分辨物體的細節(jié)越小，鏡頭的分辨率就越高。通常用像面處每毫米能夠分辨的黑白相間的條紋對數(shù)(lp/mm)描述。

在實際應(yīng)用中，建議鏡頭的分辨率不低于相機的分辨率。

7、景深

景深：能在像平面上獲得清晰像的物方空間深度。即：在被攝物平面(對焦點)前后一定范圍內(nèi)的物體，在無需調(diào)焦的情況下，其成像仍然清晰，這段可清晰成像空間深度就是景深。

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

鏡頭焦距越長，景深越小；焦距越短，景深越大。

③　拍攝距離

距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。

8、光學(xué)畸變

光學(xué)畸變(distortion)：由于鏡頭在不同視場放大倍率的不一樣，使得像相對于物體失去相似性，這種像變形的缺陷稱為光學(xué)畸變。光學(xué)畸變只影響成像的幾何形狀，并不影響成像的清晰度。常見的光學(xué)畸變主要有兩種類型，桶形畸變和枕形畸變(如圖)。

9、TV畸變

TV畸變是圖像的視覺畸變的度量，TV畸變的定義有很多。其中RIAATV畸變計算公式如下：

10、后截距

①　法蘭距：鏡頭法蘭面到像面(芯片)的距離。

②　機械后截距：鏡頭最后的機械面到像面的距離。

③　光學(xué)后截距：鏡頭最后端鏡片表面頂點到像面的距離。