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一文了解镜头的成像原理

一文了解镜头的成像原理 成都佳洋光电科技有限公司
2025-03-15
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成都佳洋光电科技有限公司


前言


      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F1.4F2.0F2.8F4.0……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'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。 
        -1β 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。
        β0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)

9TV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。

束语:我们一起学习,阅读其过程中更进一步,

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【声明】内容源于网络
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成都佳洋光电科技有限公司:是在“国产替代”的大背景下,更好的响应国防和科研的需要,创新专注为客户提供定制,生产视觉成像相关产品以及代理国内外优质资源等一站式服务提供商。电话(weixin同号)18227669970
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