攝影光學(xué)鏡頭基本知識(shí)
光學(xué)鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)中必不可少的部件，直接影響成像質(zhì)量的優(yōu)劣，影響算法的實(shí)現(xiàn)和效果。下面是小編為大家分享攝影光學(xué)鏡頭基本知識(shí)，歡迎大家閱讀瀏覽。
1 概論
對(duì)于相機(jī)，鏡頭的好壞一直是影響成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素，數(shù)碼相機(jī)當(dāng)然也不例外。雖然由于數(shù)碼相機(jī)的CCD分辨率有限，原則上對(duì)鏡頭的光學(xué)分辨率要求較低;但另一方面，由于數(shù)碼相機(jī)的成像面積較小(因?yàn)閿?shù)碼相機(jī)是成像在CCD上，而CCD的面積較傳統(tǒng)35毫米相機(jī)的膠片小很多)，因而需要鏡頭保證一定的成像素質(zhì)。舉例來說，對(duì)某一確定的被攝體，水平方向需要200個(gè)像素才能完美再現(xiàn)其細(xì)節(jié)，如果成像寬度為10mm，則光學(xué)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(xué)分辨率必須在2000線/毫米以上。另一方面，傳統(tǒng)膠卷對(duì)紫外線比較敏感，外拍時(shí)常需要加裝UV鏡，而CCD對(duì)紅外線比較敏感，鏡頭增加特殊的鍍層或外加濾鏡也會(huì)大大提高成像質(zhì)量。鏡頭的物理口徑也是必須要考慮的，且不管其相對(duì)口徑如何，其物理口徑越大，光通量就越大，數(shù)碼相機(jī)對(duì)光線的接受和控制就會(huì)更好，成像質(zhì)量也就越好。
商用或家用數(shù)碼相機(jī)的鏡頭，部分廠家采用了相對(duì)比較好的鏡頭。富士相機(jī)采用了170線/毫米解析度的專業(yè)富士龍鏡頭，這種內(nèi)置的新型富士龍鏡頭比大多數(shù)SLR鏡頭更清晰。不僅在精度上保證了圖象拍攝的品質(zhì)，而且其鏡頭錯(cuò)誤率也達(dá)到令人驚異的0.3%, 較一般的數(shù)碼相機(jī)低2/3。
另外在部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)中，還提供了遠(yuǎn)距及廣角兩種鏡頭方式。這在您選擇數(shù)碼相機(jī)時(shí)，也是一個(gè)參考的指標(biāo)。
在傳統(tǒng)的數(shù)碼相機(jī)中，廣角鏡頭是一種焦距短于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、視角大于標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(nèi)，能拍攝到較大面積的景物。所以，廣泛用于大場(chǎng)面風(fēng)攝影作品的拍攝。在攝影創(chuàng)作中，使用廣角鏡頭拍攝，能獲得以下幾個(gè)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(xiàn)。所以，現(xiàn)代絕大多數(shù)的袖珍式自動(dòng)照相機(jī)(俗稱傻瓜照相機(jī))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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(jí)的數(shù)碼相機(jī)中多使用與普通35 mm相機(jī)相同的普通廣角鏡頭，由于其在景深深，拍攝范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因而在選擇數(shù)碼相機(jī)時(shí)，同樣性能的數(shù)碼相機(jī)，能夠具有廣角和遠(yuǎn)距的數(shù)碼相機(jī)將會(huì)性能更好一些。
2 分類
按結(jié)構(gòu)
固定光圈定焦鏡頭
簡(jiǎn)單：鏡頭只有一個(gè)可以手動(dòng)調(diào)整的對(duì)焦調(diào)整環(huán)，左右旋轉(zhuǎn)該環(huán)可使成像在 CCD靶面上的圖像最清晰;沒有光圈調(diào)整環(huán)，光圈不能調(diào)整，進(jìn)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(chǎng)的光照度來調(diào)整。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。
手動(dòng)光圈定焦鏡頭
手動(dòng)光圈定焦鏡頭比固定光圈定焦鏡頭增加了光圈調(diào)整環(huán)，光圈范圍一般從F1.2或F1.4到全關(guān)閉，能方便地適應(yīng)被被攝現(xiàn)場(chǎng)地光照度，光圈調(diào)整是通過手動(dòng)人為進(jìn)行的。光照度比較均勻，價(jià)格較便宜。
自動(dòng)光圈定焦鏡頭
在手動(dòng)光圈定焦鏡頭的光圈調(diào)整環(huán)上增加一個(gè)齒輪合傳動(dòng)的微型電機(jī)，并從驅(qū)動(dòng)電路引出 3或4芯屏蔽線，接到攝像機(jī)自動(dòng)光圈接口座上。當(dāng)進(jìn)入鏡頭的光通量變化時(shí)，攝像機(jī) CCD 靶面產(chǎn)生的電荷發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使視頻信號(hào)電平發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，傳給自動(dòng)光圈鏡頭，從而使鏡頭內(nèi)的電機(jī)做相應(yīng)的正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，完成調(diào)整大小的任務(wù)。
手動(dòng)光圈變焦鏡頭
焦距可變的，有一個(gè)焦距調(diào)整環(huán)，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)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(shí)際應(yīng)用中，可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡頭的變焦環(huán)，可以方便地選擇被監(jiān)視地市場(chǎng)的市場(chǎng)角。但是當(dāng)攝像機(jī)安裝位置固定下以后，在頻繁地手動(dòng)調(diào)整變焦是很不方便的。因此，工程完工后，手動(dòng)變焦鏡頭的焦距一般很少調(diào)整。僅起定焦鏡頭的作用。
自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦鏡頭
與自動(dòng)光圈定焦鏡頭相比增加了兩個(gè)微型電機(jī)，其中一個(gè)電機(jī)與鏡頭的變焦環(huán)合，當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以控制鏡頭的焦距;另一電機(jī)與鏡頭的對(duì)焦環(huán)合，當(dāng)其受控轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可完成鏡頭的對(duì)焦。但是由于增加了兩個(gè)電機(jī)且鏡片組數(shù)增多，鏡頭的體積也相應(yīng)增大。
電動(dòng)三可變鏡頭
與自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦鏡頭相比，只是將對(duì)光圈調(diào)整電機(jī)的控制由自動(dòng)控制改為由控制器來手動(dòng)控制。
按焦距
按視場(chǎng)大小分：小視場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)鏡頭
視角約50度，也是人單眼在頭和眼不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下所能看到的視角，所以又稱為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。5mm相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距多為40mm，50mm或55mm。120相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距多為80mm或75mm。CCD芯片越大則標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)強(qiáng)烈遠(yuǎn)近感即透視。35mm 相機(jī)的典型廣角鏡頭是焦距28mm，視角為72度。120相機(jī)的50，40mm的鏡頭便相當(dāng)于35mm相機(jī)的35，28mm的鏡頭.
長焦距鏡頭
適于拍攝距離遠(yuǎn)的景物，景深小容易使背景模糊主體突出，但體積笨重且對(duì)動(dòng)態(tài)主體對(duì)焦不易。35mm 相機(jī)長焦距鏡頭通常分為三級(jí)，135mm以下稱中焦距，135-500mm稱長焦距，500mm 以上稱超長焦距。120 相機(jī)的150mm的鏡頭相當(dāng)于35mm相機(jī)的105mm鏡頭。由于長焦距的鏡頭過于笨重，所以有望遠(yuǎn)鏡頭的設(shè)計(jì)，即在鏡頭后面加一負(fù)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(yuǎn)鏡頭
是另一種超望遠(yuǎn)鏡頭的設(shè)計(jì)，利用反射鏡面來構(gòu)成影像，但因設(shè)計(jì)的關(guān)系無法裝設(shè)光圈，僅能以快門來調(diào)整曝光。
微距鏡頭(marco lens)
除作極近距離的微距攝影外，也可遠(yuǎn)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(diǎn)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(nèi)的線陣傳感器。但是，由于幾何變形和市場(chǎng)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(yīng)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(duì)于物方放大倍數(shù)小于20倍時(shí)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(shù)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(shù)。
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(shè)計(jì)作35mm照片應(yīng)用(如國產(chǎn)和進(jìn)口的各種135相機(jī)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(tǒng)。 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(shí)，要定制轉(zhuǎn)接環(huán)。國外很貴，一個(gè)約,不如自己加工。光學(xué)鏡頭的主要參數(shù)和評(píng)價(jià) 主要參數(shù)有焦距，視場(chǎng)，物距，光圈，快門等。 對(duì)于鏡頭最完
善的評(píng)價(jià)莫過于MTF (Modulation Transfer Function)。但是由于像差(標(biāo)定的原因)，鏡頭的每個(gè)范圍都有一個(gè)MTF值。這些范圍指的是：(1)近軸部分，(2)離軸部分，(3)當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)存在不對(duì)稱畸變時(shí)，上述兩部分在不同方向上的子部分。每個(gè)部分對(duì)于不同的輻射能量波長范圍，都有各自相應(yīng)的MTF值。MTF是評(píng)價(jià)成像系統(tǒng)的最常用、最優(yōu)的指標(biāo)，也是指導(dǎo)機(jī)器視覺系統(tǒng)集成的最優(yōu)指標(biāo)。
3 參數(shù)
聚焦和光圈 景深:被攝體周圍適度清晰聚焦的范圍對(duì)最終影象的出現(xiàn)起著至關(guān)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(jī)固定在三腳架上，以防照相機(jī)抖動(dòng)。
f/光圈數(shù)和光圈大小
調(diào)定在某一f/光圈數(shù)時(shí)的任何種類的鏡頭能夠透射過幾乎相同 光量的影象，因?yàn)楣怅@直徑直接與焦距相關(guān)，例如，一只80毫米的鏡頭在使用5毫米的光闌直徑時(shí)，光圈必定調(diào)節(jié)在f/16上。因此鏡頭的焦距在除以光闌直徑后，就得到相應(yīng)的f/光圈數(shù)。
焦距標(biāo)記
調(diào)節(jié)調(diào)焦環(huán)螺紋，鏡頭從照相機(jī)處伸出，隨著調(diào)焦環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過放認(rèn)對(duì)準(zhǔn)固定參看符號(hào)的標(biāo)記，你就可以發(fā)現(xiàn)正在調(diào)節(jié)的焦距。
光圈調(diào)節(jié)
向上轉(zhuǎn)動(dòng)光圈環(huán)至下一個(gè)f/光圈數(shù)(例如從f/4到f/5.6),光圈大小減半(即達(dá)到膠片的光量減半);向下轉(zhuǎn)動(dòng)光圈環(huán)至下一個(gè)f/光圈數(shù)(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(duì)被攝體聚焦，可在固定參看符號(hào)兩邊尋找對(duì)應(yīng)于(或接近)己調(diào)定的光圈f/數(shù)，辨認(rèn)焦距標(biāo)記下相對(duì)的數(shù)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(duì)相同距離的被攝體聚焦，該示說明光圈大小的調(diào)整是如何改變景深的。一般來說，被攝體的前景深擴(kuò)大1/3，后景深則擴(kuò)大2/3，光圈越小，景深越大。F/2光圈的景深遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于f/16光圈的景深。
被攝體至照相機(jī)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(jī)的距離。被攝體距照相機(jī)越近，景深就越小。鏡頭對(duì)15英尺(4.5米)處聚焦所產(chǎn)生的景深比鏡頭對(duì)5英尺(1.5米)處聚焦所產(chǎn)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(duì)于超廣角鏡(8---15毫米)，景深非常大，以致無需調(diào)焦，因?yàn)槊恳患?jí)光圈的景深都是清晰。
4 應(yīng)用
光學(xué)工業(yè)鏡頭廣泛用于反射度極高的物體定位檢測(cè)，如：金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測(cè)，芯片和硅晶片的破損檢測(cè)，MARK點(diǎn)定位，玻璃割片機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、SMT檢測(cè)、貼版機(jī)等工業(yè)精密對(duì)位、定位、零件確認(rèn)、尺寸測(cè)量、工業(yè)顯微等CCD視覺對(duì)位、測(cè)量裝置等領(lǐng)域。
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