成像原理

鏡頭成像原理是基于凸透鏡成像通過透鏡的組合，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。攝像頭成像的過程可以分為以下幾個步驟：光學(xué)成像、光電轉(zhuǎn)換、信號處理、數(shù)字編碼和數(shù)據(jù)傳輸。

技術(shù)指標

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。

光圈??

光圈就是控制光線進入鏡頭的裝置。在鏡頭內(nèi)部多枚葉片組合成一個圓形孔徑調(diào)節(jié)裝置，通過調(diào)節(jié)孔徑大小就可以控制鏡頭的通光量。光圈用英文字母F表示，F(xiàn)值與光圈大小成反比，F(xiàn)值越小光圈越大，F(xiàn)值越大光圈反而越小。

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。

工作距離

工作距離(Working Distance)：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。?

一般的鏡頭是可以看到無限遠的，也就是說是沒有上限的，我們需要注意的是“最小工作距離”在鏡頭上有兩個有刻度的調(diào)節(jié)圈，一個是調(diào)節(jié)光圈的，另一個是調(diào)焦的，在調(diào)焦的刻度圈上標有此鏡頭的工作距離從最近到最遠是多少。

視場角/視野

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')。

視野：視野(Field of View, 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。?

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。? ??

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。

鏡頭分辨率與相機像素、分辨率均無關(guān)，只與鏡頭成像質(zhì)量有關(guān)，通常鏡頭分辨率指的是解像力。鏡頭只與解像力有關(guān)，越高質(zhì)量的鏡頭，解像力越高，通常稱為“銳度越高”，所拍照片也自然越清晰。

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。? ?

景深

深度為當(dāng)CCD從最佳焦點前后移動時，出現(xiàn)最銳利焦點的最近點與最遠點之間的距離。影像側(cè)的深度范圍稱為焦深。

影響景深的主要因素

鏡頭光圈

光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。

鏡頭焦距

鏡頭焦距越長，景深越小；焦距越短，景深越大。

拍攝距離

距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。? ??

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)。

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RIAA TV畸變計算公式如下：

后截距

法蘭距：鏡頭法蘭面到像面(芯片)的距離。
機械后截距：鏡頭最后的機械面到像面的距離。
光學(xué)后截距：鏡頭最后端鏡片表面頂點到像面的距離。

審核編輯：黃飛

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