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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思镜头基础学问光学镜头的主要参数焦距主点到焦点的距离称为光学系统的焦距,这是镜头的重要参数之一,它打算了像与实际物体之间的比例；在物距肯定的情形下,要得到大比例的像,就要求选用长焦距的镜头；如图 2 所示,自物方主点 H 到物方焦点 F 的距离称为物方焦距或前焦距 f；类似地,自像方主点 H 到物方焦点F 的距离称为物方焦距或前焦距 f ；其定义具有方向性,假如主点到焦点的方向与光线的方向一样,就焦距为正；反之就为负；图 2 中所示的情形,像方焦距 f 0 ,物方焦距 f 0 ；假如系统两侧的介质相同,就 f
2、 =-f ；相对孔径与光圈数 F 数相对孔径为入瞳直径与焦距的比值 D/f ,它主要影响像面的照度,照相镜头像面的照度与相对孔径的平方成正比；为了满意景物较暗时摄影的需要,或者为了对高速运动物体摄影,要求采纳很短的曝光时间,它们都要求提高像面的照度,因此就需要采纳大的相对孔径；镜头通常采纳光圈数F 来表示通光孔径的大小,光圈数F 数为相对孔径的倒数,即F=f / D视场角（ FOV ：Field of view）与像面尺寸镜头的视场角打算了被拍照景物的范畴；由于摄影系统一般是对远处景物成像,所以其像面通常位于焦平面附近,因此像面大小与视场角2W 的关系可表示为公式y =f tanW 公式中 y
3、 应当是像面区域的半径；目前,工业相机通常使用 CCD 或者 CMOS 传感器作为像面接收器,有面阵和线阵两种,其工作区域的外形分别为矩形或线形,传感器的工作区域必需包含在镜头所确定的像面圆形区域之内；在镜头的参数中,也常常使用传感器的大小来表示视场大小；面阵传感器是由很多像素单元组成的一个矩形阵列,每个像素单元都是一个方形传感器；面阵传感器的大小通常是以其对角线的长度来表示的；目前常用的面阵传感器有：对角线 mm1 英寸2/3 英寸1/2 英寸1/3 英寸1/4 英寸1611864幅面尺 mm12.8 9.68.8 6.66.4 4.84.8 3.63.6 2.7线阵传感器也是由很多像素单元
4、组成,与面阵传感器不同的是,这些像素单元排成一个单列；线阵传感器的大小就是以像素单元的数量和大小来表示的；线阵传感器的规格有 5m、 7m 、10 m、 14m 等；1K 、2K 、4K 、8K 、12K 等,像素单元有对于同一个传感器,长焦距的镜头只能有较小的视场角,能对远处景物拍照得比较大的像,相宜于远距离摄影,故常称之为望远镜头；而短焦距的镜头就有较大的视场角,能将近处较大范畴内的景物摄入像面,故又称之为 广角镜头,视场角更大的又称为鱼眼镜头；介于二者之间,焦距属于中等,约等于幅面对角线长度的镜头,称 之为标准镜头；工作波长 光学镜头都是针对肯定波长范畴内的光波工作,自物面发出的光波,在
5、此波长范畴内的,能够通过镜头在像面 上成一清楚像,而且能量衰减较小；而在此范畴外的光波,就难以校正像差,成像质量差,辨论率低,而且能 量衰减很大,甚至被光学介质材料所吸取,完全不能通过镜头；光就其本质来说就是电磁波,依据波长通常将其划分成不同的光谱波段,如下表所示：名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思波段符号波长 nm紫外真空紫外VUV100200远紫外FUV200280UV 中紫外Middle UV280315100380近紫外Near UV315380可见紫Violet3804
6、24蓝Blue424486蓝绿Blue green486517绿Green517527VIS 黄绿Yellow green527575380780黄Yellow575585红外橙Orange585647红Red647780近红外NIR780nm-3mm中红外MIR3mm-50mmIR780nm1mm远红外FIR50mm-1mm辨论率辨论率是评判镜头质量的一个重要参数,如图 4 所示,图 4 辨论率条纹定义为在像面除镜头在单位毫米内能够辨论开的黑白相间的条纹对数,辨论率为 1/2d ,其中, d 为线宽；辨论率的单位为为 lp/mm （线对 /毫米）；在抱负成像镜头的焦平面上能辨论开来的二条纹之
7、间的相应间距其倒数即为抱负镜头的辨论率公式中, 为中心波长,单位为毫米；可见,抱负镜头的辨论率完全由相对孔径所打算,相对孔径越大,名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思F/# 越小,辨论率就越高；按此公式打算的只是视场中心的辨论率,在视场边缘,由于成像光束的孔径角比轴上 点小,因此辨论率有所降低；实际的摄影镜头,由于有比较大的剩余像差,其辨论率要比抱负镜头的辨论率低得多；因此,通常使用调制传 递函数（ MTF ：Modulation Transfer Function）来表征镜头的实
8、际分别率；调制传递函数 MTF 定义为在肯定空 间频率时像面对比度与物面对比度之比,这里空间频率以单位毫米内的线对数来表示,其单位为 lp/mm ；对于 一个镜头,不同的空间频率处的 MTF 是不同的,一般来说,随着空间频率的增大,MTF 越来越小,直至为零,MTF 为零时的空间频率称为镜头的截止频率；一些镜头厂家为了表示便利,通常也以镜头的截止频率来替代 MTF ,用以表示镜头的辨论率；在实际工业应用中,系统使用面阵或线阵传感器作为成像器件,因此系统的辨论率通常也会受到成像传感器中 像元辨论率的限制；像元辨论率定义为单位毫米内像素单元数的一半,即其中 p 为像素单元的尺寸大小,例如一个CCD
9、 的像元尺寸大小为5 5 微米,就像元辨论率就为：传感器的像元辨论率限制了系统的最高辨论率,即使镜头的辨论率再高,系统也不行能辨论高于像元辨论 率的细节；然而在实际使用中,由于景深的存在,为了使镜头偏离对准面仍旧能够成像清楚,因此,在挑选镜 头时,通常要求镜头辨论率要略高于像元辨论率,这样才能使系统的辨论率达到传感器所限制的最高辨论率；畸变 对于抱负光学系统,在一对共轭的物像平面上,放大率是常数；但是对于实际的光学系统,仅当视场较小时具 有这一性质,而当视场较大或很大时,像的放大率就要随着视场而异,这样就会使像相对于物体失去相像性；这种使像变形的成像缺陷称为畸变；畸变定义为实际像高y 与抱负像
10、高y0 之差 y -y0 ,而在实际应用中常常将其与抱负像高y0 之比的百分数来表示畸变称为相对畸变,即有畸变的光学系统,如对等间距的同心圆物面成像,其像将是非等间距的同心圆；当系统具有正畸变时,实际像高 y 随视场的增大比抱负像高y0 增大得快,即放大倍率随视场的增大而增大,就同心圆的间距自内向外逐步增大；反之,当为负畸变时,圆的间距自内向外逐步减小；如物面为如图 5（a）所示的正方形网格,那么,由正畸变的光学系统所成的像呈枕形,如图 5（b）；由负畸变光学系统所成的像呈桶形,如图 5（c）；图中虚线所示是抱负像；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 7 页精选学习资料 -
11、 - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思图 5 畸变畸变在光学系统中只引起像的变形,对像的清楚度并无影响；因此,对于一般的光学系统,只要感觉不出它所成像的变形,这种成像缺陷就无阻碍；但是对于某些要利用像来测定物体大小尺寸的应用,畸变的影响就特别重要了,它直接影响测量精度,必需予以严格校正；景深当把物镜调焦到某一摄影对象时,在该对象的前后能在像面上呈清楚像的范畴,称为景深；如图 6 所示,景深就是 1+ 2；像平面 A 为传感器靶面所在平面,其共轭平面A 为对准平面；能在靶面上呈清楚像的最远平面,即物点 B1 所在的平面,称为远景,能在靶面上呈清楚像的最近平面,即
12、物点 B2 所在的平面,称为近景；物点B1、 B2 分别成像于靶面前后,投影到靶面上成为弥散斑,当弥散斑小到肯定程度时可认为是清楚的像；图 6 景深景深的运算公式为：名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思式中, 1 和 2 分别为远景深度和近景深度,p、 p1 和 p2 分别为调焦平面、远景平面和近景平面到物镜的距离, f 为物镜的焦距, F 为物镜的光圈数, 为像面上可答应的弥散圆直径,在CCD 或 CMOS 上其最小值为像元尺寸；可见,景深与物镜的焦距、光圈大小和摄影距离有关；光
13、圈越小（F 数越大）,或摄影距离越大,景深就越大,但远景深度要比近景深度大；如在同一距离用同一光圈值摄影时,焦距短的镜头,具有大的景深；反之,长焦 距镜头的景深就小；工作距离 在挑选镜头时,为了确定系统的空间尺寸,往往需要明白镜头工作时的物距、像距以及镜头的两个主面之间的 距离等参数；然而,物距、像距均是相对与镜头光学系统的主面位置而言的,而镜头的主面却难以直接确定,因此物距、像距等参数也难以直接测量得到；于是,镜头厂家提出了工作距离这一参数,同时也给出了在该工 作距离处镜头的放大倍率,以便利使用者确认系统的空间尺寸；然而,目前对于工作距离的定义仍没有形成统一看法,主要有两种定义；第一种定义是
14、指被摄物体到相机底片 的距离；另一种定义是指被摄物体到镜头前端面的距离；目前,大部分相机镜头厂家均采纳第一种定义,因此,在没有特别说明的情形下,手册中给出的工作距离既是第一种定义；相机接口在光学系统中,最终一个光学镜片表面的顶点到像面的距离称为后截距（BFL ：Back Focal Length）,对于不同的光学系统,其后截距都是不一样的；因此在安装镜头时,需要调剂镜头到相机的相对位置,使相机底片到 镜头最终一面顶点的距离满意后截距的要求,即使底片位于镜头的像平面上；相机接口即为相机和镜头的连接方式,同时也保证了相机和镜头的相对位置；早期的相机一般采纳螺纹接口；随着相机的不断进展,接口需要传递
15、更多的数据信息,螺纹接口已不能满意相机的要求了；1959 年,尼康、佳 能、美能达这三大日本相机厂家各自推出了各自的相机接口,随后宾得、莱卡、奥林巴斯等其它厂家也相继推 出的自己的相机接口；随着技术不断进步,相机功能不断完善,各个厂家的相机接口也几经变换；目前,常用的一些接口类型如下表 所示：接口类型C 口 CS 口 4/3 口 F 口 EF 口 PK 口 C/Y 口在上表中,法兰后截距（法兰后截距卡口环直径使用卡口的品牌（mm ）（mm）17.5261（inch）12.51（inch）38.5846.5Olympus 、Panasonic 、Leica46.547Nikon44.054Can
16、on EOS45.548.5Pentax 、Ricoh45.548Contax 、YashicaFlange Back Focal Length）是指相机接口的定位面究竟片的距离,它保证了镜头的像面与相机的底片重合；这样,不仅为相同接口的相机和镜头的连接供应了特别便利的方式,而且也为不同 接口之间的相互转换供应了依据；光学系统的一些运算公式 在挑选镜头时,通常需要明白一些预先给出的条件,如物距或工作距离、放大倍率等,依据这些条件,可以大 致近似推算出系统的一些主要参数,并以此作为挑选镜头的参考；依据上述的高斯公式和放大率公式,我们可名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 7 页
17、精选学习资料 - - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思以推出下面几个常用公式物距像距焦距物高像高镜头挑选 在摄影光学系统中,镜头是重要的一个部件,它直接打算整个系统的参数和性能；因此挑选一个合适的镜头,是系统设计过程中至关重要的一步工作；在挑选过程中,需要充分考虑如下几个方面的因素：目标尺寸和测量精度 传感器尺寸和像素尺寸 放大倍率 光阑大小 工作距离 系统尺寸 工作波长 景深 畸变 摄像机接口 传感器类型,如彩色仍是黑白、是否带红外滤镜 对于电机驱动镜头,需要考虑驱动信号类型 是否有红外滤波要求 环境要求,如温度、震惊、防尘等摄影镜头的基本光学性能由焦距、相
18、对孔径和视场角这三个参数表征；因此,在挑选镜头时,第一需要确 定这三个参数,然后考虑辨论率、景深、畸变、接口等其他因素；挑选镜头的基本步骤可以参考以下几条：依据目标尺寸和测量精度,可以确定传感器尺寸和像素尺寸、放大倍率以及镜头的传递函数,这可能会有好几 个挑选,因此需要挑选一个最为合适的组合；依据系统尺寸和工作距离,结合放大倍率,可以大致估算出镜头的焦距,焦距、传感器尺寸确定以后,视场角 也就可以运算出来了；依据现场的照明条件确定光圈大小和工作波长；确定畸变、景深、相机接口等其他要求；至此,基本可以确定一款或几款合适的镜头,然后再依据其它一些非技术要求挑选一个最为合适的以供使 用；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 7 页