攝影光學鏡頭基本知識

攝影光學鏡頭基本知識

　　光學鏡頭是機器視覺系統中必不可少的部件，直接影響成像質量的優劣，影響算法的實現和效果。下面是小編為大家分享攝影光學鏡頭基本知識，歡迎大家閱讀瀏覽。

　　1 概論

　　對于相機，鏡頭的好壞一直是影響成像質量的關鍵因素，數碼相機當然也不例外。雖然由于數碼相機的CCD分辨率有限，原則上對鏡頭的光學分辨率要求較低;但另一方面，由于數碼相機的成像面積較小(因為數碼相機是成像在CCD上，而CCD的面積較傳統35毫米相機的膠片小很多)，因而需要鏡頭保證一定的成像素質。舉例來說，對某一確定的被攝體，水平方向需要200個像素才能完美再現其細節，如果成像寬度為10mm，則光學分辨率為20線/mm的鏡頭就能勝任，如果成像寬度為1mm，則要求鏡頭的光學分辨率必須在2000線/毫米以上。另一方面，傳統膠卷對紫外線比較敏感，外拍時常需要加裝UV鏡，而CCD對紅外線比較敏感，鏡頭增加特殊的鍍層或外加濾鏡也會大大提高成像質量。鏡頭的物理口徑也是必須要考慮的，且不管其相對口徑如何，其物理口徑越大，光通量就越大，數碼相機對光線的接受和控制就會更好，成像質量也就越好。

　　商用或家用數碼相機的鏡頭，部分廠家采用了相對比較好的鏡頭。富士相機采用了170線/毫米解析度的專業富士龍鏡頭，這種內置的新型富士龍鏡頭比大多數SLR鏡頭更清晰。不僅在精度上保證了圖象拍攝的品質，而且其鏡頭錯誤率也達到令人驚異的0.3%, 較一般的數碼相機低2/3。

　　另外在部分數碼相機中，還提供了遠距及廣角兩種鏡頭方式。這在您選擇數碼相機時，也是一個參考的指標。

　　在傳統的數碼相機中，廣角鏡頭是一種焦距短于標準鏡頭、視角大于標準鏡頭、距長于魚眼鏡頭、視角小于魚眼鏡頭的攝影鏡頭。廣角鏡頭又分為普通廣角鏡頭和超廣角鏡頭兩種。135照相機普通廣角鏡頭的焦距一般為38-24毫米，視角為60-84度;超廣角鏡頭的焦距為20-13毫米，視角為94-118度。由于廣角鏡頭的焦距短，視角大，在較短的拍攝距離范圍內，能拍攝到較大面積的景物。所以，廣泛用于大場面風攝影作品的拍攝。在攝影創作中，使用廣角鏡頭拍攝，能獲得以下幾個方面的效果：一是能增加攝影畫面的空間縱深感;二是景深較長，能保證被攝主體的前后景物在畫面上均可清晰的再現。所以，現代絕大多數的袖珍式自動照相機(俗稱傻瓜照相機)采用38-35毫米的普通廣角鏡頭;三是鏡頭的涵蓋面積大，拍攝的景物范圍寬廣;四是在相同的拍攝距離處所拍攝的景物，比使用標準鏡頭所拍攝的景物在畫面中的影像小;五是在畫面中容易出現透視變形和影像畸變的缺陷，鏡頭的焦距越短，拍攝的距離越近，這種缺陷就越顯著。

　　商用級的數碼相機中多使用與普通35 mm相機相同的普通廣角鏡頭，由于其在景深深，拍攝范圍廣等優點，因而在選擇數碼相機時，同樣性能的數碼相機，能夠具有廣角和遠距的數碼相機將會性能更好一些。

　　2 分類

　　按結構

　　固定光圈定焦鏡頭

　　簡單：鏡頭只有一個可以手動調整的對焦調整環，左右旋轉該環可使成像在 CCD靶面上的圖像最清晰;沒有光圈調整環，光圈不能調整，進入鏡頭的光通量不能通過改變鏡頭因素而改變，只能通過改變視場的光照度來調整。結構簡單，價格便宜。

　　手動光圈定焦鏡頭

　　手動光圈定焦鏡頭比固定光圈定焦鏡頭增加了光圈調整環，光圈范圍一般從F1.2或F1.4到全關閉，能方便地適應被被攝現場地光照度，光圈調整是通過手動人為進行的。光照度比較均勻，價格較便宜。

　　自動光圈定焦鏡頭

　　在手動光圈定焦鏡頭的光圈調整環上增加一個齒輪合傳動的微型電機，并從驅動電路引出 3或4芯屏蔽線，接到攝像機自動光圈接口座上。當進入鏡頭的光通量變化時，攝像機 CCD 靶面產生的電荷發生相應的變化，從而使視頻信號電平發生變化，產生一個控制信號，傳給自動光圈鏡頭，從而使鏡頭內的電機做相應的正向或反向轉動，完成調整大小的任務。

　　手動光圈變焦鏡頭

　　焦距可變的，有一個焦距調整環，可以在一定范圍內調整鏡頭的焦距，其可變比一般為2 ～3倍，焦距一般為3.6~8mm。實際應用中，可通過手動調節鏡頭的變焦環，可以方便地選擇被監視地市場的市場角。但是當攝像機安裝位置固定下以后，在頻繁地手動調整變焦是很不方便的。因此，工程完工后，手動變焦鏡頭的焦距一般很少調整。僅起定焦鏡頭的作用。

　　自動光圈電動變焦鏡頭

　　與自動光圈定焦鏡頭相比增加了兩個微型電機，其中一個電機與鏡頭的變焦環合，當其轉動時可以控制鏡頭的焦距;另一電機與鏡頭的對焦環合，當其受控轉動時可完成鏡頭的對焦。但是由于增加了兩個電機且鏡片組數增多，鏡頭的體積也相應增大。

　　電動三可變鏡頭

　　與自動光圈電動變焦鏡頭相比，只是將對光圈調整電機的控制由自動控制改為由控制器來手動控制。

　　按焦距

　　按視場大小分：小視場鏡頭，普通鏡頭(約50度左右)，廣角鏡頭和特廣角鏡頭(100-120度)

　　標準鏡頭

　　視角約50度，也是人單眼在頭和眼不轉動的情況下所能看到的視角，所以又稱為標準鏡頭。5mm相機的標準鏡頭的焦距多為40mm，50mm或55mm。120相機的標準鏡頭焦距多為80mm或75mm。CCD芯片越大則標準鏡頭的焦距越長。

　　廣角鏡頭

　　視角90度以上，適用于拍攝距離近且范圍大的景物，又能刻意夸大前景表現強烈遠近感即透視。35mm 相機的典型廣角鏡頭是焦距28mm，視角為72度。120相機的50，40mm的鏡頭便相當于35mm相機的35，28mm的鏡頭.

　　長焦距鏡頭

　　適于拍攝距離遠的景物，景深小容易使背景模糊主體突出，但體積笨重且對動態主體對焦不易。35mm 相機長焦距鏡頭通常分為三級，135mm以下稱中焦距，135-500mm稱長焦距，500mm 以上稱超長焦距。120 相機的150mm的鏡頭相當于35mm相機的105mm鏡頭。由于長焦距的鏡頭過于笨重，所以有望遠鏡頭的設計，即在鏡頭后面加一負透鏡，把鏡頭的主平面前移，便可用較短的鏡體獲得鏡體獲得長焦距的效果。

　　反射式望遠鏡頭

　　是另一種超望遠鏡頭的設計，利用反射鏡面來構成影像，但因設計的關系無法裝設光圈，僅能以快門來調整曝光。

　　微距鏡頭(marco lens)

　　除作極近距離的微距攝影外，也可遠攝。

　　按接口

　　C型鏡頭

　　法蘭焦距是安裝法蘭到入射鏡頭平行光的匯聚點之間的距離。法蘭焦距為17.526mm或0.690in。安裝羅紋為：直徑1in，32牙.in。鏡頭可以用在長度為0.512in (13mm)以內的線陣傳感器。但是，由于幾何變形和市場角特性，必須鑒別短焦鏡頭是否合用。如焦距為12.6mm的鏡頭不應該用長度大于6.5mm的線陣。如果利用法蘭焦距尺寸確定了鏡頭到列陣的距離，則對于物方放大倍數小于20倍時需增加鏡頭接圈。接圈加在鏡頭后面，以增加鏡頭到像的距離，以為多數鏡頭的聚焦范圍位 5-10%。鏡頭接長距離為焦距/物方放大倍數。

　　CS型鏡頭

　　With a 5 mm adapter ring, a C lens can be used on a CS-mount camera.

　　U型鏡頭

　　一種可變焦距的鏡頭，其法蘭焦距為47.526mm或1.7913in，安裝羅紋為M42×1。主要設計作35mm照片應用(如國產和進口的各種135相機鏡頭)，可用于任何長度小于 1.25in(38.1mm)的列陣。建議不要用短焦距鏡頭。

　　特殊鏡頭

　　如顯微放大系統。 要特別注意 CS和 C的差別，不同類型的camera 和不同類型的 Len連接時，要定制轉接環。國外很貴，一個約,不如自己加工。光學鏡頭的主要參數和評價 主要參數有焦距，視場，物距，光圈，快門等。 對于鏡頭最完

　　善的評價莫過于MTF (Modulation Transfer Function)。但是由于像差(標定的原因)，鏡頭的每個范圍都有一個MTF值。這些范圍指的是：(1)近軸部分，(2)離軸部分，(3)當光學系統存在不對稱畸變時，上述兩部分在不同方向上的子部分。每個部分對于不同的輻射能量波長范圍，都有各自相應的MTF值。MTF是評價成像系統的最常用、最優的指標，也是指導機器視覺系統集成的最優指標。

　　3 參數

　　聚焦和光圈　　景深:被攝體周圍適度清晰聚焦的范圍對最終影象的出現起著至關重要的作用。為了充分利用鏡頭上提供的所有光圈，可把照相機固定在三腳架上，以防照相機抖動。

　　f/光圈數和光圈大小

　　調定在某一f/光圈數時的任何種類的鏡頭能夠透射過幾乎相同 光量的影象，因為光闌直徑直接與焦距相關，例如，一只80毫米的鏡頭在使用5毫米的光闌直徑時，光圈必定調節在f/16上。因此鏡頭的焦距在除以光闌直徑后，就得到相應的f/光圈數。

　　焦距標記

　　調節調焦環螺紋，鏡頭從照相機處伸出，隨著調焦環的轉動，通過放認對準固定參看符號的標記，你就可以發現正在調節的焦距。

　　光圈調節

　　向上轉動光圈環至下一個f/光圈數(例如從f/4到f/5.6),光圈大小減半(即達到膠片的光量減半);向下轉動光圈環至下一個f/光圈數(例如從f/4到f/2.8)。光圈大小增加一倍。

　　景深范圍

　　隨著鏡頭對被攝體聚焦，可在固定參看符號兩邊尋找對應于(或接近)己調定的光圈f/數，辨認焦距標記下相對的數值，便可決定有效景深。

　　景深的作用

　　光圈大小的改變：通過相同焦距的鏡頭對相同距離的被攝體聚焦，該示說明光圈大小的調整是如何改變景深的。一般來說，被攝體的前景深擴大1/3，后景深則擴大2/3，光圈越小，景深越大。F/2光圈的景深遠遠小于f/16光圈的景深。

　　被攝體至照相機的距離：即使采用同樣的焦距和光圈，景深在一定程度上如何受制于被攝體至照相機的距離。被攝體距照相機越近，景深就越小。鏡頭對15英尺(4.5米)處聚焦所產生的景深比鏡頭對5英尺(1.5米)處聚焦所產生的景深要大得多。

　　鏡頭的改變：在相同物距 和光圈的情況下，使用不同焦距的鏡頭可改變景深，鏡頭焦距越短，最深越大，對于超廣角鏡(8---15毫米)，景深非常大，以致無需調焦，因為每一級光圈的景深都是清晰。

　　4 應用

　　光學工業鏡頭廣泛用于反射度極高的物體定位檢測，如：金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，芯片和硅晶片的破損檢測，MARK點定位，玻璃割片機、點膠機、SMT檢測、貼版機等工業精密對位、定位、零件確認、尺寸測量、工業顯微等CCD視覺對位、測量裝置等領域。

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