鏡頭的成像原理

鏡頭的成像是以凸透鏡成像的原理為基礎，通過透鏡的組合，把物體發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，提高成像質量。

技術指標介紹

1、焦點/焦距

      與光軸平行的光線射入凸透鏡時，理想的鏡頭應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。

2、光圈  

在鏡頭內部，有一個多邊形或者圓形且面積可變的孔狀光柵裝置，這個裝置就叫做光圈。光圈的作用是控制鏡頭的通光量，通常用光圈系數來描述其大小。光圈系數是指鏡頭焦距    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為F1.4，F2.0，F2.8，F4.0……在同一單位時間內上一級的通光面積是下一級的兩倍，例如光圈從f/8調整到f/5.6，通光面積便增加一倍。

 光圈對圖片亮度的影響：相同應用條件下，同一鏡頭，光圈越大，通光孔徑越大，圖片越亮。

3、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。 

4、視場角/視野

 1、視場角

        在光學工程中，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')。

 2、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。 

5、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，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，成倒立等大的實像，如BB′所示。
        β＜-1時，物像異側，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，成正立放大的虛像，如DD′所示，這就是放大鏡的成像原理。

6、分辨率

         分辨率是指光學系統可以測到的被測物體上的最小可分辨特征尺寸。鏡頭能分辨物體的細節越小，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(lp/mm)描述。
         在實際應用中，建議鏡頭的分辨率不低于相機的分辨率。

7、景深

        景深：能在像平面上獲得清晰像的物方空間深度。即：在被攝物平面(對焦點)前后一定范圍內的物體，在無需調焦的情況下，其成像仍然清晰，這段可清晰成像空間深度就是景深。

影響景深的主要因素

1、鏡頭光圈

       光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。

2、鏡頭焦距

       鏡頭焦距越長，景深越小；焦距越短，景深越大。

3、拍攝距離

       距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。

8、光學畸變

        光學畸變(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畸變。光學畸變只影響成像的幾何形狀，并不影響成像的清晰度。常見的光學畸變主要有兩種類型，桶形畸變和枕形畸變(如圖)。

9、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：

10、后截距

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