不可不讀的光學鏡頭基本參數(shù)和術語解釋

不可不讀的光學鏡頭基本參數(shù)和術語解釋，成像鏡頭是光學產(chǎn)品的重要的組成部分，它的作用是將目標物體成像在圖像傳感器上。本文將繼續(xù)對成像鏡頭的參數(shù)和術語進行說明解釋，幫助我們更好的理解鏡頭的性能特點，針對不同的應用場景完成鏡頭的選型搭配。
 

1. 焦距：

定義：焦距是指鏡頭的光學中心（光學后主點）到成像面焦點的距離，焦距是光學系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式。平行光通過鏡頭匯聚于一點，這個點就是所說的焦點，是鏡頭的重要性能指標。一般常用的工業(yè)鏡頭的焦距為8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm等。焦距的大小決定著視場角的大小，焦距數(shù)值小，觀察的范圍大；焦距數(shù)值大，視場角小，觀察范圍小。

如何選擇合適的焦距的定焦鏡頭？請看鏡頭工作距，離焦距，傳感器和視野尺寸的計算關系。圖1：鏡頭焦距與工作距離選擇 
后焦距：鏡頭最后一個鏡片表面頂點到焦點的距離。因對焦時鏡頭后鏡片可能移動，一般標注無窮遠對焦時的后焦距，也就是最小后焦距，有限距離成像時后焦距會增大。
 2.光圈與景深：光圈定義：光圈F值又稱為光圈數(shù)，是鏡頭焦距與有效孔徑(即光圈)之比。



F值衡量光學系統(tǒng)通光量的大小。F值越小進入系統(tǒng)的光線就越多，圖像亮度越高。圖2：光圈與景深
一般鏡頭會標注最小光圈數(shù)，即最大通光孔徑。如F1.4，F(xiàn)1.8，F(xiàn)2.0等。
光圈的調節(jié)會有兩個主要影響：成像亮度與景深。
光圈越大，進入系統(tǒng)的光線越多，圖像亮度越高；光圈越小，進入系統(tǒng)的光線越少，圖像越暗。
光圈越大，景深越小，虛化明顯；光圈越小，景深越大。圖3：大光圈通光量大，景深小虛化明顯

景深定義：
鏡頭對某一物平面對焦后，在對焦平面的前后都有一段能清晰成像的范圍，分別稱為前景深和后景深。景深=前景深+后景深；
圖4：景深與焦深
 
成像光束未會聚于一點，在像平面上形成一個擴散的圓形投影，稱為彌散圓。
景深ΔL=ΔL1+ΔL2
       δ：彌散圓直徑；
       f ：焦距；
       F：光圈F值；
       L：工作距離；

       減小光圈（增大F值）、增加工作距離、選擇小焦距鏡頭均可使景深增加。
 3.視場角：定義：以光學鏡頭為頂點，以被測物體通過鏡頭的較大成像范圍的兩邊緣構成的夾角叫做視場角。
視場角的大小決定了鏡頭的視野范圍，視場角越大，視野就越大，光學倍率也就越小。
視場角與傳感器尺寸有關，鏡頭的視場角應標明標準傳感器尺寸。
以聯(lián)合光科16mm 2/3" 5M 定焦鏡頭 為例：
 

 表1：16mm鏡頭傳感器與視場大小
  
使用某一款相機，在相同工作距離下拍攝，不同焦距的鏡頭也會有不同的視場角。圖5：同款相機，相同工作距離，不同焦距的拍攝效果（注：圖中所標為水平視場角）視場角與焦距有關，在使用相同感光元件的情況下，搭配的鏡頭焦距越長，視場角越小。圖6：鏡頭焦距與視場角 4.畸變
定義：鏡頭對被攝物體所成的像相對于物體本身的失真程度稱為畸變。
理想的鏡頭成像，物平面與像平面上的放大倍率是固定的，但實際這一性質只有在圖像中心區(qū)域的小視場才具備。圖像的放大倍率會隨著視場增大而變化，使成像產(chǎn)生失真。
畸變通常分為兩種：
枕形畸變：鏡頭成像畫面呈向中間收縮的失真現(xiàn)象。
桶形畸變：鏡頭成像畫面呈桶形膨脹狀的失真現(xiàn)象。
畸變會使圖像變形，但不影響成像分辨率，可以使用軟件校正?；兟试降捅硎剧R頭的光學素質越好。圖7：枕形畸變與桶形畸變 5.最大傳感器尺寸如下圖所示，鏡頭在像平面的成像是圓形，但接收圖像的傳感器通常為矩形，所以最終保存的圖像是矩形。圖8,圓形相面與矩形傳感器
以下圖為例，鏡頭成像尺寸會按照通用傳感器的尺寸設計，使得圓形像面外沿與矩形傳感器四角正好相接，這個傳感器尺寸就是該鏡頭的最大傳感器尺寸（下圖綠色2/3"傳感器）。如果使用更大尺寸的傳感器（下圖紫色1"傳感器）四個角會在鏡頭圓形像之外。使用更小尺寸的傳感器（下圖粉色1/1.8"傳感器），傳感器只采集到圓形像較小區(qū)域，視場和視場角會變小。圖9,11mm直徑像面與不同尺寸傳感器的匹配效果
市面上通用傳感器的名稱表述，既不是傳感器的任何一條邊長也不是對角線長度，這樣的尺寸標注難以形成具體尺寸的概念。
下表是市場上常見的通用傳感器尺寸規(guī)格信息，傳感器對角線長度匹配鏡頭的像面尺寸的那款傳感器就是鏡頭的最大傳感器尺寸。
 

表2，常見通用傳感器
 6.出瞳，入瞳與孔徑光闌
出瞳是限制出射光束的有效孔徑，是孔徑光闌被后方光學系統(tǒng)所成的像；出瞳距離是出瞳與鏡頭最后一個鏡片表面的距離；出瞳直徑就是孔徑光闌對后方光學系統(tǒng)所成的像的大小。
入瞳是限制入射光束的有效孔徑，是孔徑光闌被前方光學系統(tǒng)所成的像；入瞳距離是入瞳與鏡頭第一個鏡片表面的距離；入瞳直徑就是孔徑光闌對前方光學系統(tǒng)所成的像的大小。
孔徑光闌：光路中所有可以限制光束的開孔屏或者透鏡邊框都可稱為光闌，其中最終限制光路入射光束大小的光闌稱為孔徑光闌
 圖,10，入瞳，入瞳距離，孔徑光闌
以上圖光路為例，1，2鏡片邊緣，3光圈都可以限制入射光束，圖中能通過1號鏡片的光束只有一部分能進入2號鏡片，通過2號鏡片的光束只有一部分能進入3號光圈，所以3號光圈最終限制能進入鏡頭成像的光束大小，也就是這個光路的孔徑光闌。在A點觀測時，3號光圈被1號和2號透鏡放大成4號虛像，A點發(fā)出的光經(jīng)1號2號透鏡進入3號光圈，與光從A點直接進入4號等效。把光圈對兩個透鏡所成的4號像稱為入瞳，入瞳與鏡頭第一個鏡片之間的距離就是入瞳距離。
 7.MTF曲線和分辨率：鏡頭的分辨率是指鏡頭可以分辨兩個靠近的點的能力，也稱為解析力。鏡頭分辨率通常使用MTF曲線表征。MTF曲線表示空間頻率與傳遞函數(shù)值的關系。橫坐標表示空間頻率，即每mm線對數(shù)，可以代表兩個點的靠近程度。縱坐標表示傳遞函數(shù)代表對比度，數(shù)值為1，線對對比明顯，可清晰分辨；數(shù)值為0，線對沒有反差無法分辨。圖4,線對對比度1和0.6的圖像圖5,某型號鏡頭MTF曲線
圖5中有多條曲線，每條曲線都標注像高。0mm表示軸上MTF數(shù)值，4.5mm表示軸外像高4.5mm的MTF數(shù)值。不同像高的MTF曲線趨勢一致性高，不分散，表示鏡頭軸上軸外一致性高。黑色直線代表受物理極限限制的MTF數(shù)值。


傳感器分辨率一般指橫向與縱向像素數(shù)乘積，如500萬像素，傳感器橫向與縱向像素數(shù)為2560×1920。單個像素即像元的尺寸，與傳感器的尺寸和分辨率相對應?？梢愿鶕?jù)表1傳感器尺寸除以像素數(shù)量，得到像元尺寸。如2/3“ 500萬傳感器，像元尺寸3.4μm。鏡頭的分辨率應與像元尺寸匹配。通常按照線對尺寸的一半選擇像元尺寸。

以1/1.8“小像元鏡頭為例，是230lp/mm高分辨率設計，線對尺寸1000/230μm=4.34μm，匹配像元尺寸為4.24/2μm=2.17μm，可以匹配市面上2.2μm的傳感器。選擇比2.2μm小的像元，并不能帶來更豐富的細節(jié)
 8.主光角鏡頭主光角CRA（Chief Ray Angle），表示鏡頭主光線與光軸的夾角。主光線是從被觀測物體發(fā)射，經(jīng)孔徑光闌的中心到成像的光線。
傳感器主光角CRA，表示可以聚焦到像素上的光線的最大角度。超過此角度的光束不能被傳感器接收。一般要求鏡頭CRA不大于相機傳感器CRA圖6,傳感器主光角a.像素上方聚光透鏡，b.金屬導線，c.光電轉換區(qū)域。

圖中1號光線主光角超過傳感器CRA，光線無法到達光電轉換區(qū)域；2號3號主光角小于傳感器CRA，光線可以到達光電轉換區(qū)域。
 9.遠心光路結構與遠心度遠心光路有物方遠心，像方遠心和雙遠心三種結構。圖7,物方遠心光路
孔徑光闌在像方焦平面上，進入鏡頭的主光線都通過光闌中心的像方焦點，在物方這些主光線都平行于光軸。即只有平行于光軸的光線才能通過光闌，被測物距離鏡頭遠近，成像大小一致。圖8，像方遠心光路
孔徑光闌在物方焦平面上，進入鏡頭的主光線都通過光闌中心的物方焦點，在像方這些主光線都平行于光軸。通過光闌的光線通過鏡頭都平行與光軸，傳感器與鏡頭距離不影響成像大小。圖9，雙遠心光路
光闌所在的平面，既是物方焦平面，也是像方焦平面。物方主光線與像方主光線都平行于光軸。
遠心度：遠心鏡頭主光線偏離于光軸的角度，角度越小遠心度越好，成像的倍率誤差就越小，測量也就越精確。
 10.卡口主流工業(yè)鏡頭一般使用C卡口，卡口螺紋M25.4x0.8
具體名稱和，對應法蘭距，以及螺紋尺寸請見下表：

 11.光學總長與變焦，調焦鏡頭第一片鏡片表面到像平面的距離就是鏡頭的光學總長。圖10，光學總長示意圖