镜头光学基础

目录

​​1、reflection  反射​​

​​2、refraction  折射​​

​​3、牛顿公式在自动对焦中的一个应用：计算对焦马达（actuator）的冲程范围​​

​​4、Zoom​​

非光学工程师为什么要了解光学知识：

    • 成像工业是从镜头开始的，小孔成像是人类发现光学的开始。

    • 相机有不同类型的镜头：定焦，变焦，不同的光学指标。

    • 自动对焦算法工程师要理解几何光学部分。

    • 图像信号处理工程师对光学缺陷的理解。

    • 图像质量工程师对光学有关特性的分析。

    • Camera相关工程师必须了解基本光学概念，用准确的术语沟通。

    • 这部分培训主要是介绍针对自动对焦应用相关的光学概念

光学部分的重要概念：

    reflection  反射

    refraction  折射

    Aperture   孔径

    F-number   光圈数

    focal length   焦距

    Coc   弥散圆

    Depth of field  景深

    Tele   长焦

    macro  微距

    Zoom .....  包括光学变焦、数字变焦

1、reflection  反射

    反射角等于入射角，与反射光的波长无关，入射光、反射光、法线处于同一平面；

    反射率：入射光功率与反射光功率之比（非几何光学概念），影响自动曝光和测光，

    反射率受波长影响，如下图；

2、refraction  折射

    2-1、折射定义

    n=c/v

    n：折射率

    λ ：波长（传播介质中的）

    V：速度（传播介质中的）

    C : 光速

    折射率n就是把光线偏折的能力

    n越大，光线速度衰减越多，折射角度越大

    常用折射率：

    真空 1.0000

    空气 1.0003

    水 1.33

    玻璃 1.5 - 1.8

    n也受到湿度，压力，温度，波长的一定影响

    光从空气到玻璃的折射，波长会被压缩（如下 n air被认为是1 ）；

    2-2、球面折射 sphere refraction （设计曲面镜头，让光线进行偏折，形成聚焦，就是最基本的应用光学基础)

    下图中PA 是一个球面，球心为O，半径为r。光轴为AOBC 入射光线在P点与球面相交，入射线与球面的垂直线交角为i1，入射线的延长线与光轴相交于C，

    交角为U1； 折射线与光轴相交于B点，交角为U2。（一个镜头就是由若干个球面透镜，组成的聚焦系统）

    2-3、理想成像系统（忽略了透镜的体积，计算时不考虑透镜的宽度）

    Focal plane：对焦平面

    Optical axis: 光轴

    Optical center: 光心

    Focal length (f): 焦距

    s:物距

    s ' : 像距

    x : 物距减焦距 （ s ≈ x）

    x ' : 像距减焦距

    F : 焦距

    m: 线性放大率

    Y: 物高

    Y‘ : 像高

3、牛顿公式在自动对焦中的一个应用：计算对焦马达（actuator）的冲程范围

    已知：

    f （焦距）： 4 mm

    X （物距）： Infinity to ~ 10 cm

    求：

    x’（对焦点移动范围） = 马达冲程

    当物距在Infinity时， x’= f^2 / x = (4 mm)^2 / (100 mm) = 0.16 mm

    所以马达冲程范围是0--0.16mm 

    如上右图，物距越来越大时，对应的像距越来越小；

4、Zoom

    Optical zoom = Change the lens focal length  (光学变焦，通过镜头组变换焦距)；

    Digital zoom = Crop and upscale （数字变焦，通过sensor/ISP 将图像从中间抠出一部分，然后再放大）；

    Zoom factor

    = Longest focal length / shortest focal length （镜头组移动的最长距离和最短距离之比）

    = Wide FOV / Tele FOV （最大视场角和最小视场角之比）

    FOV = Field of View （视场角）