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光学镜头基础知识介绍(一)

2015-12-29 20:09:44      点击:

CCD也有两种:全帧(fullframe)的和隔行(interline)的。这两种CCD的性能区别非常大。总的来说,全帧的CCD性能最好。其次是隔行的CCD。CMOS的综合性能最差。fullframeCCD最突出的优势是分辨率和动态范围。最弱的地方就是贵,耗电。CMOS最差的地方是分辨率,动态范围和噪声。优势就是便宜,省电。interlineCCD比CMOS强的地方在于噪声。总的来说,两种CCD的颜色还原都比CMOS强。

  现在一般的消费级数码相机,在宣传上都不说是FullframeCCD还是InterlineCCD。当然多数都是后者。专业级的数码相机,肯定是前者。所以,FullframeCCD和InterlineCCD间的区别,都存在于专业级数码相机和消费级机之间。当然,专业级数码相机彩用的大面积CCD带来的好处更突出。

  光学镜头基础知识

  光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件,直接影响成像质量的优劣,影响算法的实现和效果。另外争取选折合适的镜头,降低机器视觉系统成本,才是产业兴旺发达的唯一出路。光学镜头规格繁多,有时不免头晕。光学镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头,长焦镜头;从视场大小分有广角、标准,远摄镜头;结构上分有固定光圈定焦镜头,手动光圈定焦镜头,自动光圈定焦镜头,手动变焦镜头、自动变焦镜头,自动光圈电动变焦镜头,电动三可变(光圈、焦距、聚焦均可变)镜头等。根据我们使用的经验,俄罗斯的光学镜头很便宜。

  结构上分

  1固定光圈定焦镜头

  简单。镜头只有一个可以手动调整的对焦调整环,左右旋转该环可使成像在CCD靶面上的图像最清晰。没有光圈调整环,光圈不能调整,进入镜头的光通量不能通过改变镜头因素而改变,只能通过改变视场的光照度来调整。结构简单,价格便宜。

  2手动光圈定焦镜头

  手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环,光圈范围一般从F1.2或F1.4

  到全关闭,能方便地适应被被摄现场地光照度,光圈调整是通过手动人为进行的。光照度比较均匀,价格较便宜。

  3自动光圈定焦镜头

  在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个齿轮合传动的微型电机,并从驱动电路引出

  3或4芯屏蔽线,接到摄像机自动光圈接口座上。当进入镜头的光通量变化时,摄像机

  CCD靶面产生的电荷发生相应的变化,从而使视频信号电平发生变化,产生一个控制信号,传给自动光圈镜头,从而使镜头内的电机做相应的正向或反向转动,完成调整大小的任务。

  4手动光圈变焦镜头

  焦距可变的,有一个焦距调整环,可以在一定范围内调整镜头的焦距,其可变比一般为

  2~3倍,焦距一般为3.6~8mm。实际应用中,可通过手动调节镜头的变焦环,可以方便地选择被监视地市场的市场角。但是当摄像机安装位置固定下以后,在频繁地手动调整变焦是很不方便的。因此,工程完工后,手动变焦镜头的焦距一般很少调整。仅起定焦镜头的作用。



5自动光圈电动变焦镜头

  与自动光圈定焦镜头相比增加了两个微型电机,其中一个电机与镜头的变焦环合,当其转

  动时可以控制镜头的焦距;另一电机与镜头的对焦环合,当其受控转动时可完成镜头的对焦。但是,由于增加了两个电机且镜片组数增多,镜头的体积也相应增大。

  6电动三可变镜头

  与自动光圈电动变焦镜头相比,只是将对光圈调整电机的控制由自动控制改为由控制器来手动控制。

  场合上分:

  按视场大小分为:小视场镜头,普通镜头(约50度左右),广角镜头和特广角镜头(100-120度)

  1标准镜头:视角约50度,也是人单眼在头和眼不转动的情况下所能看到的视角,所以

  又称为标准镜头。5mm相机的标准镜头的焦距多为40mm,50mm或55mm。120相机的标准镜头焦距多为80mm或75mm。CCD芯片越大则标准镜头的焦距越长。

  2、广角镜头:视角90度以上,适用於拍摄距离近且范围大的景物,又能刻意夸大前景

  表现强烈远近感即透视。35mm相机的典型广角镜头是焦距28mm,视角为72度。120相机的50,40mm的镜头便相当于35mm相机的35,28mm的镜头.

  3、长焦距镜头:适于拍摄距离远的景物,景深小容易使背景模糊主体突出,但体积笨重

  且对动态主体对焦不易。35mm相机长焦距镜头通常分为三级,135mm以下称中焦距,135-500mm称长焦距,500mm120相机的150mm的镜头相当于35mm相机的105mm镜头。由於长焦距的镜头过于笨重,所以有望远镜头的设计,即在镜头后面加一负透镜,把镜头的主平面前移,便可用较短的镜体获得镜体获得长焦距的效果。

  4、反射式望远镜头:是另一种超望远镜头的设计,利用反射镜面来构成影像,但因设计

  的关系无法装设光圈,仅能以快门来调整曝光。

  5、微距镜头(marcolens):除作极近距离的微距摄影外,也可远摄。

  接口类型来分

  1C型镜头

  法兰焦距是安装法兰到入射镜头的平行光的汇聚点之间的距离。法兰焦距为17.526mm或0.690in。安装罗纹为:直径1in,32牙.in。镜头可以用在长度为0.512in(13mm)以内的线阵传感器。但是,由于几何变形和市场角特性,必须鉴别短焦镜头是否合用。如焦距为12.6mm的镜头不应该用长度大于6.5mm的线阵。如果利用法兰焦距尺寸确定了镜头到列阵的距离,则对于物方放大倍数小于20倍时需增加镜头接圈。接圈加在镜头后面,以增加镜头到像的距离,以为多数镜头的聚焦范围位5-10%。镜头接长距离为焦距/物方放大倍数。





2CS型镜头

  Witha5mmadapterring,aClenscanbeusedonaCS-mountcamera.

  3U型镜头

  一种可变焦距的镜头,其法兰焦距为47.526mm或1.7913in,安装罗纹为M42×1。主要设计作35mm照片应用(如国产和进口的各种135相机镜头),可用于任何长度小于1.25in(38.1mm)的列阵。建议不要用短焦距镜头。442mm镜头、3L型镜头

  固定焦距宽视场镜头,最初设计作照相放大作用(如国产各种放大机镜头),且在2.25in(63.5mm)视场内具有良好的特性。法兰焦距是具体镜头的函数。安装螺纹为M39×1.0。可用于长度为1.25in(35.1)以内的列阵,且不受限制。

  4特殊镜头

  如显微放大系统。要特别注意CS和C的差别,不同类型的camera和不同类型的Len连接时,要定制转接环。国外很贵,一个约$50,不如自己加工。光学镜头的主要参数和评价

  主要参数有焦距,视场,物距,光圈,快门等。

  对于镜头最完善的评价莫过于MTF(ModulationTransferFunction)。但是由于像差(标定的原因),镜头的每个范围都有一个MTF值。这些范围指的是:(

  1)近轴部分,

  2)离轴部分,

  3)当光学系统存在不对称畸变时,上述两部分在不同方向上的子部分。每个部分对于不同的辐射能量波长范围,都有各自相应的MTF值。MTF是评价成像系统的最常用、最优的指标,也是指导机器视觉系统集成的最优指标。

  光圈常识

  照相机的镜头有一个控制透光量的装置,就叫光圈.光圈开的大,透光量便大;开的小,透光量便小.但只靠光圈还不能完全描述作用於软片上的光线强度,镜头与软片间的距离也有关系,也就是和镜头的焦距有关系.焦距小光圈离软片较近,光线的作用便较强.有一个名词--光圈系数,光圈系数是将镜头焦距除以光圈的直径所得的值,用f表示.例如有甲乙丙三镜头,甲镜头的焦距为50mm,最大光圈直径为25mm,则光圈系数是50/25=2,我们说它是f2的镜头;乙镜头的焦距为35mm,最大光圈直径为17.5mm,光圈系数是35/17.5=2,我们也说它是f2的镜头;丙镜头的焦距为100mm,最大光圈直径为25mm,则光圈系数是100/25=4,我们说它是f4的镜头.乙镜头的孔洞比甲镜头小,但光圈系数相同,於是透光到软片上的强度是一样;甲丙镜头的孔洞一样大,但光圈系数不同,於是透光到软片上的强度是不一样的.所有相机镜头的光圈都已标准化,就是f1,f1.4,f2,f2.8,f4,f5.6,f8,f11,f16,f22,f32等.





光圈的功能有二:

  1.控制光量的透入:光线透过镜头射到软片的强度是和光圈系数平方成反比,也就是相邻两级的光圈作用於软片上的光线强度有两倍的关系.f2是f2.8的2倍,f2.8是f4的2倍.

  2.调节景深:所谓的景深,就是镜头对焦处前後所能成像清晰的范围,它镜头焦距,光圈,及被摄景物主体的距离有关,镜头焦距越短,光圈越小,被摄物的距离,景深越大清晰的范围越大,反之亦然.所以就光圈来讲,小光圈景深大,清晰细密的表出远近的明锐感;大光圈景深小,则可使主体突出,表现主体以外前後主题的模糊感.值得一提的是,若要前後景物都清晰,应使用小光圈,但以小到能涵盖希望的景深即可,不必过小,过小便会受到绕射的影响,反而降低其解像力!

  快门常识

  相机的快门是控制曝光时间长短的机关,快门经常处於关闭状态,已防装在相机内的底片露光,摄影时将它一开一闭,让透过镜头的影像光线作用於软片上。早期的座架式相机没有快门装置。仅备一镜头盖套在镜头上,取景对焦时取下镜头盖,套上镜头盖再装感光片,摄影时将镜头盖掀开一刹那时间遂即盖上。现在快门已进步到由机械或电子操纵开启时间。快门的功能有二分述如下:

  1.开启时间的长短来控制透入光量的多寡。假若被摄体的明度和镜头的光圈不变,快门开启时间长,作用於软片的光量多,快门开启时间短,作用於软片的光量少。快门开启时间的长短叫做快门速度(Shutterspeed)。为便於调整曝光,镜头快门相机的镜头上装有快门速度调整环,焦面快门相机(较普遍)的机身上装有快门速度调整环。在快门速度调整环上,将快门速度分为若干级。为配合光圈调整曝光,每相邻两级的快门速度也是二与一之比。所有各种相机的快门速度分级都以标准化,即4,2,1,1/2,1/4,1/8,1/15,1/30,1/60,1/125,1/250,1/500,1/1000,1/2000,1/4000,B,T。快於一秒的快门速度的刻度只用2,4,8...等分母数字表示,分别代表1/2,1/4,1/8.....,一秒及慢於一秒的用不同颜色数字标示。B为Bubble的缩写,代表按下快门钮时快门便开启,放松便关闭。T是Time的缩写,代表按下快门钮时快门便开启,再按一次才关闭。

  2.配合光圈曝光:摄影曝光正确,才能产生层次丰富细节清晰的照片。曝光要正确,必须按照软片速度与光圈强弱,将快门速度和光圈适当配合。控制镜头进光量,需要由镜头的所谓"孔径光阑"(Diaphragm)来控制。孔径光阑都是位于镜头内部,通常由多片可活动的金属叶片(称为光阑叶片)组成,可以使中间形成的(近似)圆孔变大或者缩小,以达到控制通过光量大小的目的。

  我们用"孔径"来描述镜头的通光能力,而孔径受到光阑的控制。

  对于不同的镜头而言,光阑的位置不同,焦距不同,入射瞳直径也不相同,用孔径来描述镜头的通光能力,无法实现不同镜头的比较。为了方便在实际摄影中计算曝光量和用统一的标准来衡量不同镜头的孔径光阑实际作用,采用了"相对孔径"的概念。

  相对孔径=[镜头焦距]/[入射瞳直径]=f/d比如某个镜头的焦距为50mm,入射瞳直径为25mm,那么该镜头的相对孔径就是50/25=2。通常表示相对孔径的办法是在相对孔径前面加入[f/],比如f/1.4、f/2、f/2.8等,也有用1:2来表示f/2的。通常镜头标记上用类似1:2的方式更多些。在实际使用中,很少使用"相对孔径"的称呼,通常都是用"光圈系数(f-Stops)"来称呼,简称"光圈"或者"f-系数"。在镜头的标记上,通常都是标记镜头的最大光圈系数,如图所示:

  现在标记镜头的相对孔径都是用了一系列标准化的数值:

  可以看到:每一个数值都与相邻数值有一个的关系,表明后一个数值的通光量为前面一个的一半,前一个数值的通光量是后面一个的两倍。因为根据圆面积的计算公式,镜头通过的光量与f系数的平方成反比。比如:f/5.6的通光量是f/4的一半;是f/8的两倍。





焦点(focalpoint、focus):

  对于一个理想透镜而言:远处的物体可以近似地看成时位于无限远处。

  该无限远处的物体上任何一点发出的到达理想透镜的光线,可以看成是平行光。

  所谓"光轴"就是一条垂直穿过理想透镜中心的光线。与光轴平行的光线射入凸透镜时,理想的凸镜应该是所有的光线会聚在透镜后面一点上,这个会聚所有光线的一点,就叫做焦点。例如使用放大镜将太阳光聚光后,形成最小点的就是焦点。焦点一定在光轴上。

  光学术语上,以透镜为界

  被摄物体所在的空间称为"物方空间";

  被摄物体所发出的光穿越透镜在透镜后面形成的像所在的空间称为"像方空间";

  在像方空间所形成的焦点称为"像方焦点"或"后焦点";

  反之,从像方开始,投射出与光轴平行的光线,并在透镜物体空间所形成的焦点,称为"物方焦点"或"前焦点"。

  注意:对于凹透镜而言,物方焦点与像方焦点的位置与凸透镜相反

  主点(Principalpoint):

  一个透镜得轴向厚度与其直径、物距、像距以及焦距相比显得很小,就可以认为该透镜是薄透镜。一片薄的双凸透镜的焦点距离,一般指镜片的中心到焦点为止的光轴上的距离,这个镜片的中心叫做"主点"。实际的镜头都是由数片凸透镜和凹透镜组合而成,无法直接分辨出主点的位置。当焦点处于无限远时,镜头主点到结像平面的距离=焦距

  对于某种画幅而言,标准镜头的焦距值约等于画幅对角线长度,其主点的位置在镜头的光学组内前主点/后主点(frontprincipalpoint/rearprincipalpoint)如下图所示,假设从a射入的光线,折射之后通过n和n'致到达了b。对于光轴而言,a-n与n'-b之间产生相似的

  角度,因此,在光轴上可以得出h、h'两个交点。这两个交点h和h'就叫做主点,其中h为前主点(第一主点),h'为后主点(第二主点)。前主点与后主点之间的距离称为主点间隔。