涉及參數(shù)預(yù)覽：

1、上篇

焦距，工作距離與放大倍率，光圈與景深，視場(chǎng)角，畸變

2、下篇

最大傳感器尺寸，入瞳與出瞳，光學(xué)總長(zhǎng)，主光角CRA，分辨率，MTF曲線，變焦，調(diào)焦，遠(yuǎn)心光路結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)心度，相機(jī)接口（卡口類型）

 

 

       成像鏡頭是光學(xué)產(chǎn)品的重要的組成部分，它的作用是將目標(biāo)物體成像在圖像傳感器上。本期追光小課堂將繼續(xù)對(duì)成像鏡頭的參數(shù)和術(shù)語(yǔ)進(jìn)行說(shuō)明解釋，幫助我們更好的理解鏡頭的性能特點(diǎn)，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景完成鏡頭的選型搭配。

 

1.   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?qǐng)D像的傳感器通常為矩形，所以最終保存的圖像是矩形。

圖1,圓形相面與矩形傳感器

 

       以下圖為例，鏡頭成像尺寸會(huì)按照通用傳感器的尺寸設(shè)計(jì)，使得圓形像面外沿與矩形傳感器四角正好相接，這個(gè)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(gè)角會(huì)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(chǎng)和視場(chǎng)角會(huì)變小。

 

 

圖2,11mm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(zhǎng)也不是對(duì)角線長(zhǎng)度，這樣的尺寸標(biāo)注難以形成具體尺寸的概念。

 

       下表是市場(chǎng)上常見的通用傳感器尺寸規(guī)格信息，傳感器對(duì)角線長(zhǎng)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1,常見通用傳感器

 

2.   出瞳，入瞳與孔徑光闌

 

       出瞳：出瞳是限制出射光束的有效孔徑，是孔徑光闌被后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像；出瞳距離是出瞳與鏡頭最后一個(gè)鏡片表面的距離；出瞳直徑就是孔徑光闌對(duì)后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像的大小。

 

       入瞳：入瞳是限制入射光束的有效孔徑，是孔徑光闌被前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像；入瞳距離是入瞳與鏡頭第一個(gè)鏡片表面的距離；入瞳直徑就是孔徑光闌對(duì)前方光學(xué)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3，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(guò)1號(hào)鏡片的光束只有一部分能進(jìn)入2號(hào)鏡片，通過(guò)2號(hào)鏡片的光束只有一部分能進(jìn)入3號(hào)光圈，所以3號(hào)光圈最終限制能進(jìn)入鏡頭成像的光束大小，也就是這個(gè)光路的孔徑光闌。在A點(diǎn)觀測(cè)時(shí)，3號(hào)光圈被1號(hào)和2號(hào)透鏡放大成4號(hào)虛像，A點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)1號(hào)2號(hào)透鏡進(jìn)入3號(hào)光圈，與光從A點(diǎn)直接進(jìn)入4號(hào)等效。把光圈對(duì)兩個(gè)透鏡所成的4號(hào)像稱為入瞳，入瞳與鏡頭第一個(gè)鏡片之間的距離就是入瞳距離。

 

3.   MTF曲線和分辨率

 

       鏡頭的分辨率是指鏡頭可以分辨兩個(gè)靠近的點(diǎn)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(guān)系。橫坐標(biāo)表示空間頻率，即每mm線對(duì)數(shù)，可以代表兩個(gè)點(diǎn)的靠近程度。縱坐標(biāo)表示傳遞函數(shù)代表對(duì)比度，數(shù)值為1，線對(duì)對(duì)比明顯，可清晰分辨；數(shù)值為0，線對(duì)沒有反差無(wú)法分辨。

圖4,線對(duì)對(duì)比度1和0.6的圖像

 

圖5,某型號(hào)鏡頭MTF曲線

 

       圖5中有多條曲線，每條曲線都標(biāo)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(shì)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?cái)?shù)乘積，如500萬(wàn)像素，傳感器橫向與縱向像素?cái)?shù)為2560×1920。單個(gè)像素即像元的尺寸，與傳感器的尺寸和分辨率相對(duì)應(yīng)?？梢愿鶕?jù)表1傳感器尺寸除以像素?cái)?shù)量，得到像元尺寸。如2/3“ 500萬(wàn)傳感器，像元尺寸3.4μm。鏡頭的分辨率應(yīng)與像元尺寸匹配。通常按照線對(duì)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(shè)計(jì)，線對(duì)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(lái)更豐富的細(xì)節(jié)。

 

4.   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(cè)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(guò)此角度的光束不能完全被傳感器接收。一般要求鏡頭CRA不大于相機(jī)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(dǎo)線，c.光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。

       圖中1號(hào)光線主光角超過(guò)傳感器CRA，光線無(wú)法到達(dá)光電轉(zhuǎn)換區(qū)域；2號(hào)3號(hào)主光角小于傳感器CRA，光線可以到達(dá)光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。

 

5.   遠(yuǎn)心光路結(jié)構(gòu)與遠(yuǎn)心度

       遠(yuǎn)心光路有物方遠(yuǎn)心，像方遠(yuǎn)心和雙遠(yuǎn)心三種結(jié)構(gòu)。

圖7,物方遠(yuǎn)心光路

       孔徑光闌在像方焦平面上，進(jìn)入鏡頭的主光線都通過(guò)光闌中心的像方焦點(diǎn)，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(guò)光闌，被測(cè)物距離鏡頭遠(yuǎn)近，成像大小一致。

 

圖8，像方遠(yuǎn)心光路

       孔徑光闌在物方焦平面上，進(jìn)入鏡頭的主光線都通過(guò)光闌中心的物方焦點(diǎn)，在像方這些主光線都平行于光軸。通過(guò)光闌的光線通過(guò)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(yuǎn)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(yuǎn)心度：遠(yuǎn)心鏡頭主光線偏離于光軸的角度，角度越小遠(yuǎn)心度越好，成像的倍率誤差就越小，測(cè)量也就越精確。

6.   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(duì)應(yīng)法蘭距，以及螺紋尺寸請(qǐng)見下表：

 

表2，常見鏡頭卡口規(guī)格

 

7.   光學(xué)總長(zhǎng)

       鏡頭第一片鏡片表面到像平面的距離就是鏡頭的光學(xué)總長(zhǎng)。

圖10，光學(xué)總長(zhǎng)示意圖

 

8.   調(diào)焦和變焦

       在使用定焦鏡頭時(shí)，通常所說(shuō)的調(diào)焦，其實(shí)是對(duì)焦。定焦鏡頭的焦距是固定不變的，當(dāng)改變工作距離時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡頭對(duì)焦環(huán)，使成像清晰。

 

       當(dāng)不方便通過(guò)改變工作距離來(lái)控制成像大小時(shí)，可以更換其他焦距的鏡頭，或者使用變焦鏡頭。變焦鏡頭比定焦鏡頭多一個(gè)變焦環(huán)，旋轉(zhuǎn)變焦環(huán)可以改變視場(chǎng)角，當(dāng)工作距離不變時(shí)，可以改變成像的大小。

 

       以上是成像鏡頭的參數(shù)名詞解釋圖文說(shuō)明，基本涵蓋了日常工作中所能遇到的各類鏡頭相關(guān)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)。之后的文章中，我們將位各位讀者帶來(lái)光學(xué)元件的各種參數(shù)名詞圖文解說(shuō)，敬請(qǐng)期待。

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