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廣角鏡頭,又叫短焦鏡頭,,一般是指大視場角的定焦鏡頭。在某些應(yīng)用場合用戶需要獲得較大的視野,,在工作距離不能改變的情況下,,往往需要用到大視場角的鏡頭。
廣角鏡頭特點
1. 短焦距、大視場角設(shè)計,;
2. 匹配近距離大視野應(yīng)用
參數(shù):
鏡頭是成像部件,,它收集被觀測物體發(fā)出的光,在后方成像,。鏡頭配合相機(jī)使用,,相機(jī)是記錄鏡頭所成像的部件,相機(jī)本身不能成像,。
鏡頭有許多參數(shù),,可以根據(jù)實際使用需求選擇合適的參數(shù)。
以下是鏡頭參數(shù)的解釋說明,。
1. 焦距
焦距是指鏡頭的光學(xué)中心(光學(xué)后主點)到成像面焦點的距離,,平行光通過鏡頭匯聚于一點,這個點就是所說的焦點,,是鏡頭的重要性能指標(biāo),。
一般常用的工業(yè)鏡頭的焦距為8mm、12mm,、16mm,、25mm、35mm,、50mm等,。
焦距是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式。
焦距的大小決定著視場角的大小,,焦距數(shù)值小,,觀察的范圍大;焦距數(shù)值大,,視場角小,,觀察范圍小。
后焦距:鏡頭最后一個鏡片表面頂點到焦點的距離,。因?qū)箷r鏡頭后鏡片可能移動,,一般標(biāo)注無窮遠(yuǎn)對焦時的后焦距,也就是最小后焦距,,有限距離成像時后焦距會增大,。
2. F值
光圈F值又稱為光圈數(shù),是鏡頭焦距與有效孔徑(即光圈)之比,。
F值衡量光學(xué)系統(tǒng)通光量的大小,。
傳感器尺寸 | 視場角 (對角×水平×垂直) | 對象大小 (在最近對焦距離處) |
2/3" | 38.0°×30.8°×23.4° | 145.6×116.5×87.3mm |
1/2" | 28.1°×22.7°×17.1° | 105.9×84.6×63.5mm |
1/3" | 21.3°×17.1°×12.9° | 79.4×63.5×47.6mm |
使用某一款相機(jī),,在相同工作距離下拍攝,不同焦距的鏡頭也會有不同的視場角,。
視場角與焦距有關(guān),,如下圖片:視場角與鏡頭焦距,。
理想的鏡頭成像,物平面與像平面上的放大倍率是固定的,,但實際這一性質(zhì)只有在圖像中心區(qū)域的小視場才具備,。圖像的放大倍率會隨著視場增大而變化,使成像產(chǎn)生失真,。
鏡頭對被攝物體所成的像相對于物體本身的失真程度稱為畸變,。
通常分為兩種:
枕形畸變:鏡頭成像畫面呈向中間收縮的失真現(xiàn)象。
桶形畸變:鏡頭成像畫面呈桶形膨脹狀的失真現(xiàn)象,。
畸變會使圖像變形,,但不影響成像分辨率,,可以使用軟件校正。
5. 接口
相機(jī)和鏡頭的連接方式即為鏡頭的光學(xué)接口,,業(yè)內(nèi)對于光學(xué)接口已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。例如CS口,、C口,、F口。在工業(yè)應(yīng)用中,,一般C口和CS口用在小傳感器尺寸相機(jī)上,,F(xiàn)口用在大傳感器尺寸相機(jī)上。此外,,還有線陣相機(jī)常用接口M42,、M58、M72等,,顧名思義這些就是某個直徑的螺紋口,。
卡口 | 機(jī)身相場定位(法蘭)距離 | 接口類型 |
C | 17.526mm | 螺紋M25.4×0.8 |
CS | 12.5mm | 螺紋M25.4×0.8 |
F | 46.5mm | 三爪卡口 |
M42(SLR型) | 45.5mm | 螺紋M42×1 |
M42(T型) | 55mm | 螺紋M42×0.75 |
M58 | 11.48mm | 螺紋M58×0.75 |
M72 | 11.48mm | 螺紋M72×0.75 |
鏡頭在像平面的成像是圓形,但接收圖像的傳感器通常為矩形,,所以最終保存的圖像是矩形,。鏡頭成像尺寸會以通用尺寸的傳感器設(shè)計,使得圓形像外接矩形傳感器,,這個傳感器尺寸就是該鏡頭的最大傳感器尺寸,。
如果使用更大尺寸的傳感器,四個角會在鏡頭圓形像之外,。
可以使用更小尺寸的傳感器,,傳感器只采集到圓形像較小區(qū)域,視場和視場角會變小,。
傳感器尺寸 | 對角線長度/mm | 水平長度/mm | 豎直長度/mm |
1/4" | 4 | 3.2 | 2.4 |
1/3" | 6 | 4.8 | 3.6 |
1/1.8" | 9 | 7.1 | 5.3 |
2/3" | 11 | 8.8 | 6.6 |
1" | 16 | 12.8 | 9.6 |
4/3" | 22 | 17.6 | 13.2 |
鏡頭中對入射光束有限制作用的,,如透鏡邊緣,螺紋,,鏡筒壁等,,都可以稱為光闌,。
如圖,1,,2鏡片邊緣,,3光圈都可以限制入射光束,圖中能通過1號鏡片的光束只有一部分能進(jìn)入2號鏡片,,通過2號鏡片的光束只有一部分能進(jìn)入3號光圈,所以3號光圈最終限制能進(jìn)入鏡頭成像的光束大小,。
最終限制鏡頭入射光束大小的光闌稱為孔徑光闌,。
表示孔徑光闌的大小并非實際尺寸,而是通過前方或后方所有光學(xué)元件成像的大小,。圖中,,在A點觀測時,3號光圈被1號和2號透鏡放大成4號虛像,,A點發(fā)出的光經(jīng)1號2號透鏡進(jìn)入3號光圈,,與光從A點直接進(jìn)入4號等效。把光圈對兩個透鏡所成的4號像稱為入瞳,。
孔徑光闌被前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像,,叫做入瞳,像的直徑為入瞳直徑,。
孔徑光闌被后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像,,叫做出瞳,像的直徑為出瞳直徑,。
8. 光學(xué)總長
鏡頭第一片鏡片表面到像平面的距離,。
是指物體通過鏡頭在焦平面上的成像大小與物體實際大小的比值。定焦鏡頭一般成倒像,,放大倍率帶負(fù)號,。
對同一個鏡頭而言,光學(xué)倍率與被拍攝物體距離鏡頭的遠(yuǎn)近有關(guān),;在最短工作距離對焦時,,光學(xué)倍率最大。
8mm 2/3" 5M 定焦鏡頭 對焦距離與放大倍率 | |||||||
對焦距離 | 放大倍率 | 前景深(mm) | 后景深(mm) | 對焦距離 | 放大倍率 | 前景深(mm) | 后景深(mm) |
100mm | -0.072 | 1.019 | 1.066 | 350mm | -0.023 | 17.924 | 21.972 |
150mm | -0.050 | 2.392 | 2.552 | 400mm | -0.020 | 23.241 | 29.297 |
200mm | -0.039 | 6.366 | 6.984 | 500mm | -0.016 | 35.204 | 50.558 |
250mm | -0.031 | 12.981 | 16.026 | 750mm | -0.011 | 70.795 | 81.776 |
300mm | -0.026 | 26.267 | 14.553 | 1000mm | -0.008 | 160.004 | 160.975 |
圖中1號光線主光角超過傳感器CRA,,光線無法到達(dá)光電轉(zhuǎn)換區(qū)域;2號3號主光角小于傳感器CRA,,光線可以到達(dá)光電轉(zhuǎn)換區(qū)域,。
13. 分辨率
鏡頭的分辨率是指鏡頭可以分辨兩個靠近的點的能力,也稱為解析力,。鏡頭分辨率通常使用MTF曲線表征,。MTF曲線表示空間頻率與傳遞函數(shù)值的關(guān)系??臻g頻率是每mm線對數(shù),,可以代表兩個點的靠近程度。傳遞函數(shù)代表反差即能分辨出兩個靠近點的程度,。
傳感器分辨率一般指橫向與縱向像素數(shù)乘積,,如500萬像素,傳感器橫向與縱向像素數(shù)為2560×1920,。單個像素即像元的尺寸,,與傳感器的尺寸和分辨率相對應(yīng)??梢愿鶕?jù)表3傳感器尺寸除以像素數(shù)量,,得到像元尺寸。如2/3" 500萬傳感器,,像元尺寸3.4μm,。鏡頭的分辨率應(yīng)與像元尺寸匹配,。通常按照線對尺寸的一半選擇像元尺寸。例如,,1/1.8" 小像元鏡頭,,是230lp/mm高分辨率設(shè)計,線對尺寸1000/230μm=4.34μm,,匹配像元尺寸為4.24/2μm=2.17μm,,可以匹配市面上2.2μm的傳感器。選擇比2.2μm小的像元,,并不能帶來更豐富的細(xì)節(jié),。
14. MTF曲線
橫軸表示空間頻率,即每mm線對數(shù),??v坐標(biāo)表示傳遞函數(shù),數(shù)值為1,,線對對比明顯,,可清晰分辨;數(shù)值為0,,線對沒有反差無法分辨,。
對焦與調(diào)焦的區(qū)別: 對焦過程不會改變視場角,即不會改變視場范圍,,工作距離確定后對焦不會改變成像大小,;變焦鏡頭調(diào)焦時會改變視場角(視場范圍,,放大倍率,,成像的大小),一般調(diào)焦完成,,需要再次對焦成清晰的像,。
焦距,,工作距離與放大倍率:
(圖左)圖14:相同鏡頭,,工作距離增大,,放大倍率減小 ,、 (圖右)圖15:相同工作距離,,小焦距鏡頭,,放大倍率??;大焦距鏡頭,放大倍率大
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