再次梳理镜头基础知识及选型

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1.镜头的结构及原理

1.1 镜头的分类

按功能分类：定焦镜头、变倍镜头、定光圈镜头
按视角分类：标准镜头、广角镜头、远摄镜头
按焦距分类：短焦距镜头、中焦距镜头、长焦距镜头
按用途分类：微距镜头（或者显微镜头）、远心镜头

1.2定焦镜头的组成

镜头组成：各个光学透镜、光圈、对焦环、接口
镜头接口：连接相机和镜头的连接口

2.镜头的基本参数

2.1光圈

光圈是控制镜头通光量的光学装置，由多边形或者圆形，并且面积可变的叶片装置组成。
光圈数一般用F值表示，常用值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等几个等级。
光圈系数=焦距f/通光孔径d，光圈系数越小，通光孔径越大。

2.2镜头极限空间分辨率 ，MTF图

极限空间分辨率的单位是线对/毫米 （lp/mm），相邻的黑白两条线可以称为一个线对，每毫米能够分辨出的线对数就是极限空间分辨率。

镜头可分为百万级、二百万级、五百万级和千万级等。

TS：镜头成像中心圆点到镜头边缘的距离，按目前公开的性能指标来说，百万像素镜头对应的极限空间分辨率是90线对/mm，二百万像素镜头对应的空间分辨率是110线对/mm，五百万像素镜头对应的空间分辨率是160线对/mm

2.3MTF

MTF(Modulate Transform Function,调制传递函数）

是一种数值化的客观而系统的用来评价成像质量的方式。

如下图所示，当镜头对不同宽度的黑白线条成像时，随着线条宽度的减小，其对比度也随之减小。以对比度为纵坐标，以线对数*为横坐标建立坐标将不同线宽的对比度绘制在一张图表上即是MTF。

线对数-每毫米有多少对黑白线条。例如：5um的黑线和5um的白线组成的线对，在1mm内有100对，则其线对数为100；

2.4对比度

对比度是光学系统成像效果的一种常用的评价和检测方式。

当光学系统对某一特定宽度的黑白线条成像时，受到照明条件、镜头成像质量、感光器件噪音等影响，黑色线条在像面上不可能完全达到黑色。

设拍摄到的白色线条最大亮度为Imax；黑色线条最小亮度为Imin，则对比度C可以表示为：
C=(Imax –Imin)/(Imax +Imin)通常来讲，人眼能分辨时的对比度约为0.4，而计算机在对比度在0.2甚至更小时仍能分辨。

 

2.5镜头成像的原理（镜头选型）

焦距（f）：镜头光学中心到相机（芯片）
的距离。
视场角：镜头光学中心与视场各点
边、线形成连线的夹角。
视场（FOV）：镜头能观测到的实际
范围的物理尺寸。
工作距离(WD）：镜头能够聚焦清晰
时，被测目标到镜头下端的距离。

焦距
一般的焦距有4mm、6mm、8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm、75mm、100mm。
视场 视场角
视场是指通过相机镜头能观测到的实际尺寸。
视场角是指镜头光学中心与视场各点、边、线形成的夹角。

 相同大小视野时，焦距越小，视场角越大

2.6接圈

镜头加接圈后工作距离降低，放大倍率扩大，视场缩小。
1 在测量时遵循20%原则
2 35mm应该使用不超过7mm的接圈

3 较大的接圈会引起FOV边缘扭曲，畸变增加，图像质量下降。

2.7最大兼容相机芯片尺寸（选型方向）

所有镜头都只能在一定的范围内清晰成像，最大兼容CCD尺寸指镜头能支持的最大清晰成像的范围。在实际选择相机和镜头时，要注意所选择的镜头的最大兼容CCD尺寸要大于或等于所选择的相机芯片的尺寸。常用镜头及CCD芯片的兼容性说明：

2.8景深

景深:在聚焦完成后，在焦点前后的范围内都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围，叫做景深；计算公式：

由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以及对像质的要求(表现为对容许弥散圆的大小)有关。

2.9畸变

由于成像过程中局部放大倍率不一致而造成的物象不相似的现象。畸变像差只影响成像的几何形状，而不影响成像的清晰度。

 

焦距越小，视场角越大，视野越大，畸变程度越大。

场畸变（局部放大倍率不一致）
低畸变的镜头应用于尺寸测量。长焦距的镜头通常畸变较小。
由于镜头的光学结构和成像特性使然。拍摄的视场越大，所用镜头的焦距越短，视场角越大，畸变的程度越明显。

应对措施：

使用低畸变镜头；同视野大小，选用长焦距的镜头。
标定 图像扭曲校正：和尺寸测量相关的项目中，会对畸变有所要求，但是这种平面畸变可以通过图像标定克服，不一定要改善硬件。

 

2.10渐晕现象

渐晕：对亮度均匀视场照射，得到的图片中央亮度高于四周的现象。
成因——离轴越远（ 越接近最大视场） 的光线经过光学系统的有效孔径阑越小，所以越离轴的光线在离轴的像面上的光强度就越弱。

 

减少渐晕的方法：
１．缩小镜头光圈。
２．选用不带渐晕的镜头。
３．选用更高位的相机根据渐晕量做数字图像处理补偿。
４．光源需要与镜头、被测物性质匹配

2.11 知识点

焦距大小的影响情况：焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸变越大； 焦距越小，渐晕现象越严重，图像边缘亮度低于中心；
光圈大小的影响情况： 光圈越大，图像亮度越高； 光圈越大，景深越小；光圈越大，分辨率越高，图像质量越高；
像场中央与边缘（像高）： 一般情况下图像中心比边缘分辨率高； 图像中心比边缘光场照度高；
工作距离的影响情况：工作距离越远，景深越大；

3. 远心镜头

3.1 远心镜头的种类

物方远心镜头：物方主光线平行于主光轴，汇聚于像方中心位，消除视差，减少畸变。
像方远心镜头：像方主光线平行于主光轴，汇聚于物方中心位，消除渐晕现象。
双侧远心镜头：兼有上面两种远心镜头的优点。

 

3.2远心镜头的倍率

远心镜头的工作距离是固定的，所以采用放大倍率和工作距离来描述远心镜头，一般的放大倍率为0.24、0.3、0.4、0.5、0.8、1、2等倍率。

4. 镜头的选型

4.1变倍镜头

4.2镜头命名规则

4.3镜头的选型

1.根据相机芯片大小和工作空间限制确定使用镜头的焦距或者放大倍数；
2.考虑是否需要选用远心镜头；
3.确定镜头分辨率；
4.确定畸变率能否满足要求；
5.景深是否满足要求；
6.镜头是否兼容相机芯片尺寸；
7.超大视野或超小视野；
8.镜头是否要配合其他配件；
9.价格是否合理等其他问题。