鏡頭基礎(chǔ)知識(shí)

1、光學(xué)鏡頭的主要參數(shù)焦距主點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離稱為光學(xué)系統(tǒng)的焦距，這是鏡頭的重要參數(shù)之一，它決定了像與實(shí)際 物體之間的比例。在物距一定的情況下，要得到大比例的像，則要求選用長(zhǎng)焦距的鏡頭。如圖2所示，自物方主點(diǎn)H到物方焦點(diǎn)F的距離稱為物方焦距或前焦距f；類似地，自 像方主點(diǎn)H到物方焦點(diǎn)F的距離稱為物方焦距或前焦距f。其定義具有方向性，如果主點(diǎn) 到焦點(diǎn)的方向與光線的方向一致，則焦距為正；反之則為負(fù)。圖2中所示的情況，像方焦距 f 0，物方焦距f _凡密7o有畸變的光學(xué)系統(tǒng)，若對(duì)等間距的同心圓物面成像，其像將是非等間距的同心圓。當(dāng)系 統(tǒng)具有正畸變時(shí)，實(shí)際像高y 隨視場(chǎng)的增大比理想像高y0 增大得快，即放大倍

2、率隨視場(chǎng) 的增大而增大，則同心圓的間距自內(nèi)向外逐漸增大；反之，當(dāng)為負(fù)畸變時(shí)，圓的間距自內(nèi)向 外逐漸減小。若物面為如圖5（a）所示的正方形網(wǎng)格，那么，由正畸變的光學(xué)系統(tǒng)所成的 像呈枕形，如圖5（b）；由負(fù)畸變光學(xué)系統(tǒng)所成的像呈桶形，如圖5（c）。圖中虛線所示 是理想像。圖5畸變畸變?cè)诠鈱W(xué)系統(tǒng)中只引起像的變形，對(duì)像的清晰度并無影響。因此，對(duì)于一般的光學(xué)系 統(tǒng)，只要感覺不出它所成像的變形，這種成像缺陷就無妨礙。但是對(duì)于某些要利用像來測(cè)定 物體大小尺寸的應(yīng)用，畸變的影響就非常重要了，它直接影響測(cè)量精度，必須予以嚴(yán)格校正。景深當(dāng)把物鏡調(diào)焦到某一攝影對(duì)象時(shí)，在該對(duì)象的前后能在像面上呈清晰像的范圍，稱為景

3、深。如圖6所示，景深就是1+2。像平面A為傳感器靶面所在平面，其共軛平面A為對(duì) 準(zhǔn)平面。能在靶面上呈清晰像的最遠(yuǎn)平面，即物點(diǎn)B1所在的平面，稱為遠(yuǎn)景，能在靶面上 呈清晰像的最近平面，即物點(diǎn)B2所在的平面，稱為近景。物點(diǎn)B1、B2分別成像于靶面前 后，投影到靶面上成為彌散斑，當(dāng)彌散斑小到一定程度時(shí)可認(rèn)為是清晰的像。圖6景深景深的計(jì)算公式為： TOC o 1-5 h z A1=_舟二日J(rèn)1 1 bh-i M(22 了式中，A1和分別為遠(yuǎn)景深度和近景深度，p、pl和p2分別為調(diào)焦平面、遠(yuǎn)景平面 和近景平面到物鏡的距離，f 為物鏡的焦距，F(xiàn)為物鏡的光圈數(shù)，5為像面上可允許的彌散 圓直徑，在CCD或CM

4、OS上其最小值為像元尺寸?？梢姡吧钆c物鏡的焦距、光圈大小和攝影距離有關(guān)。光圈越?。‵數(shù)越大），或攝影 距離越大，景深就越大，但遠(yuǎn)景深度要比近景深度大。若在同一距離用同一光圈值攝影時(shí)， 焦距短的鏡頭，具有大的景深；反之，長(zhǎng)焦距鏡頭的景深就小。工作距離在選擇鏡頭時(shí)，為了確定系統(tǒng)的空間尺寸，往往需要了解鏡頭工作時(shí)的物距、像距以及 鏡頭的兩個(gè)主面之間的距離等參數(shù)。然而，物距、像距均是相對(duì)與鏡頭光學(xué)系統(tǒng)的主面位置 而言的，而鏡頭的主面卻難以直接確定，因此物距、像距等參數(shù)也難以直接測(cè)量得到。于是， 鏡頭廠家提出了工作距離這一參數(shù)，同時(shí)也給出了在該工作距離處鏡頭的放大倍率，以方便 使用者確認(rèn)系統(tǒng)的空間尺寸

5、。然而，目前對(duì)于工作距離的定義還沒有形成統(tǒng)一意見，主要有兩種定義。第一種定義是 指被攝物體到相機(jī)底片的距離；另一種定義是指被攝物體到鏡頭前端面的距離。目前，大部 分相機(jī)鏡頭廠家均采用第一種定義，因此，在沒有特殊說明的情況下，手冊(cè)中給出的工作距 離既是第一種定義。相機(jī)接口在光學(xué)系統(tǒng)中，最后一個(gè)光學(xué)鏡片表面的頂點(diǎn)到像面的距離稱為后截距（BFL： Back Focal Length），對(duì)于不同的光學(xué)系統(tǒng)，其后截距都是不一樣的。因此在安裝鏡頭時(shí)，需要 調(diào)節(jié)鏡頭到相機(jī)的相對(duì)位置，使相機(jī)底片到鏡頭最后一面頂點(diǎn)的距離滿足后截距的要求，即 使底片位于鏡頭的像平面上。相機(jī)接口即為相機(jī)和鏡頭的連接方式，同時(shí)也保證

6、了相機(jī)和鏡頭的相對(duì)位置。早期的相 機(jī)一般采用螺紋接口。隨著相機(jī)的不斷發(fā)展，接口需要傳遞更多的數(shù)據(jù)信息，螺紋接口已不 能滿足相機(jī)的要求了。1959年，尼康、佳能、美能達(dá)這三大日本相機(jī)廠家各自推出了各自 的相機(jī)接口，隨后賓得、萊卡、奧林巴斯等其它廠家也相繼推出的自己的相機(jī)接口。 隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，相機(jī)功能不斷完善，各個(gè)廠家的相機(jī)接口也幾經(jīng)變換。目前，常用的一 些接口類型如下表所示：接口類型法蘭后截距（mm）卡口環(huán)直徑（mm）使用卡口的品牌C 口17.5261 （inch）CS 口12.51 （inch）4/3 口38.5846.5Olympus、Panasonic LeicaF 口46.547Ni

7、konEF 口44.054Canon EOSPK 口45.548.5Pentax、RicohC/Y 口45.548Contax、Yashica在上表中，法蘭后截距(Flange Back Focal Length)是指相機(jī)接口的定位面到底片的距 離，它保證了鏡頭的像面與相機(jī)的底片重合。這樣，不僅為相同接口的相機(jī)和鏡頭的連接提 供了非常方便的方式，而且也為不同接口之間的相互轉(zhuǎn)換提供了依據(jù)。光學(xué)系統(tǒng)的一些計(jì)算公式物距像距物距像距焦距物高像高尸頊1+伊丁 =功1+1/鏡頭選擇在攝影光學(xué)系統(tǒng)中，鏡頭是重要的一個(gè)部件，它直接決定整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)和性能。因此 選擇一個(gè)合適的鏡頭，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中至關(guān)重要的一

8、步工作。在選擇過程中，需要充分考 慮如下幾個(gè)方面的因素：目標(biāo)尺寸和測(cè)量精度傳感器尺寸和像素尺寸放大倍率光闌大小工作距離系統(tǒng)尺寸工作波長(zhǎng)景深畸變攝像機(jī)接口 傳感器類型，如彩色還是黑白、是否帶紅外濾鏡對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏡頭，需要考慮驅(qū)動(dòng)信號(hào)類型是否有紅外濾波要求環(huán)境要求，如溫度、震動(dòng)、防塵等攝影鏡頭的基本光學(xué)性能由焦距、相對(duì)孔徑和視場(chǎng)角這三個(gè)參數(shù)表征。因此，在選擇鏡 頭時(shí)，首先需要確定這三個(gè)參數(shù)，然后考慮分辨率、景深、畸變、接口等其他因素。選擇鏡頭的基本步驟可以參考以下幾條：根據(jù)目標(biāo)尺寸和測(cè)量精度，可以確定傳感器尺寸和像素尺寸、放大倍率以及鏡頭的 傳遞函數(shù)，這可能會(huì)有好幾個(gè)選擇，因此需要選擇一個(gè)最為合適的組合；根據(jù)系統(tǒng)尺寸和工作距離，結(jié)合放大倍率，可