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镜头基础知识 日期：2012年1月6日 15:13 摘要： 光学镜头的主要参数 焦距  　　主点到焦点的距离称为光学系统的焦距，这是镜头的重要参数之一，它决定了像与实际物体之间的比例。在物距一定的情况下，要得到大比例的像，则要求选用长焦距的镜头。 　　如图2所示，自物方主点H到物方焦点F的距离称为物方焦距或前焦距f；类似地，自像方主点H 到物方焦点F 的距离称为物方焦距或前焦距f 。其定义具有方向性，如果主点到焦点的方向与光线的方向一致，则焦距为正；反之则为负。图2中所示的情况，像方焦距f 0，物方焦距f 0。如果系统两侧的介质相同，则f =-f。 相对孔径与光圈数F数  　　相对孔径为入瞳直径与焦距的比值D/f ，它主要影响像面的照度，照相镜头像面的照度与相对孔径的平方成正比。为了满足景物较暗时摄影的需要，或者为了对高速运动物体摄影，要求采用很短的曝光时间，它们都要求提高像面的照度，因此就需要采用大的相对孔径。 　　镜头通常采用光圈数F来表示通光孔径的大小，光圈数F数为相对孔径的倒数，即F=f / D 视场角（FOV：Field of view）与像面尺寸  　　镜头的视场角决定了被拍摄景物的范围。由于摄影系统一般是对远处景物成像，所以其像面通常位于焦平面附近，因此像面大小与视场角2W 的关系可表示为公式y =f tanW 　　公式中y 应该是像面区域的半径。 　　目前，工业相机通常使用CCD或者CMOS传感器作为像面接收器，有面阵和线阵两种，其工作区域的形状分别为矩形或线形，传感器的工作区域必须包含在镜头所确定的像面圆形区域之内。在镜头的参数中，也经常使用传感器的大小来表示视场大小。 　　面阵传感器是由许多像素单元组成的一个矩形阵列，每个像素单元都是一个方形传感器。面阵传感器的大小通常是以其对角线的长度来表示的。目前常用的面阵传感器有： 1英寸 2/3英寸 1/2英寸 1/3英寸 1/4英寸 对角线(mm) 16 11 8 6 4 幅面尺(mm) 12.8×9.6 8.8×6.6 6.4×4.8 4.8×3.6 3.6×2.7 　　线阵传感器也是由许多像素单元组成，与面阵传感器不同的是，这些像素单元排成一个单列。线阵传感器的大小则是以像素单元的数量和大小来表示的。线阵传感器的规格有1K、2K、4K、8K、12K等，像素单元有5μm、7μm、10μm、14μm等。 　　对于同一个传感器，长焦距的镜头只能有较小的视场角，能对远处景物拍摄得比较大的像，适宜于远距离摄影，故常称之为望远镜头；而短焦距的镜头则有较大的视场角，能将近处较大范围内的景物摄入像面，故又称之为广角镜头，视场角更大的又称为鱼眼镜头；介于二者之间，焦距属于中等，约等于幅面对角线长度的镜头，称之为标准镜头。 工作波长  　　光学镜头都是针对一定波长范围内的光波工作，自物面发出的光波，在此波长范围内的，能够通过镜头在像面上成一清晰像，而且能量衰减较小；而在此范围外的光波，则难以校正像差，成像质量差，分辨率低，而且能量衰减很大，甚至被光学介质材料所吸收，完全不能通过镜头。 　　光就其本质来说就是电磁波，按照波长通常将其划分成不同的光谱波段，如下表所示： 波 段 符号 波长(nm) 紫外(UV) 100～380 真空紫外 VUV 100~200 远紫外 FUV 200~280 中紫外 Middle UV 280~315 近紫外 Near UV 315~380 可见(VIS) 380~780 紫 Violet 380~424 蓝 Blue 424~486 蓝绿 Blue green 486~517 绿 Green 517~527 黄绿 Yellow green 527~575 黄 Yellow 575~585 橙 Orange 585~647 红 Red 647~780 红外(IR)780nm~1mm 近红外 NIR 780nm-3mm 中红外 MIR 3mm-50mm 远红外 FIR 50mm-1mm 分辨率  　　分辨率是评价镜头质量的一个重要参数，定义为在像面除镜头在单位毫米内能够分辨开的黑白相间的条纹对数，如图4所示， 图4 分辨率条纹 分辨率为1/2d，其中，d为线宽。分辨率的单位为为lp/mm（线对/毫米）。 在理想成像镜头的焦平面上能分辨开来的二条纹之间的相应间距 其倒数即为理想镜头的分辨率 　　公式中，λ为中心波长，单位为毫米。可见，理想镜头的分辨率完全由相对孔径所决定，相对孔径越大，F/#越小，分辨率就越高。按此公式决定的只是视场中心的分辨率，在视场边缘，由于成像光束的孔径