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(WorkingDistance)：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(FieldofView,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。

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RIAATV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。