不可不讀的光學(xué)鏡頭基本參數(shù)和術(shù)語(yǔ)解釋,，成像鏡頭是光學(xué)產(chǎn)品的重要的組成部分,，它的作用是將目標(biāo)物體成像在圖像傳感器上。本文將繼續(xù)對(duì)成像鏡頭的參數(shù)和術(shù)語(yǔ)進(jìn)行說(shuō)明解釋,，幫助我們更好的理解鏡頭的性能特點(diǎn),，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景完成鏡頭的選型搭配。
 

1. 焦距：

定義：焦距是指鏡頭的光學(xué)中心（光學(xué)后主點(diǎn)）到成像面焦點(diǎn)的距離,，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,。平行光通過(guò)鏡頭匯聚于一點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是所說(shuō)的焦點(diǎn),，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,。焦距的大小決定著視場(chǎng)角的大小，焦距數(shù)值小,，觀察的范圍大,；焦距數(shù)值大，視場(chǎng)角小,，觀察范圍小,。

如何選擇合適的焦距的定焦鏡頭？請(qǐng)看鏡頭工作距，離焦距,，傳感器和視野尺寸的計(jì)算關(guān)系,。圖1：鏡頭焦距與工作距離選擇 
后焦距：鏡頭最后一個(gè)鏡片表面頂點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離。因?qū)箷r(shí)鏡頭后鏡片可能移動(dòng),，一般標(biāo)注無(wú)窮遠(yuǎn)對(duì)焦時(shí)的后焦距,，也就是最小后焦距，有限距離成像時(shí)后焦距會(huì)增大,。
 2.光圈與景深：光圈定義：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,。F值越小進(jìn)入系統(tǒng)的光線就越多，圖像亮度越高,。圖2：光圈與景深
一般鏡頭會(huì)標(biāo)注最小光圈數(shù),，即最大通光孔徑。如F1.4,，F(xiàn)1.8,，F(xiàn)2.0等。
光圈的調(diào)節(jié)會(huì)有兩個(gè)主要影響：成像亮度與景深,。
光圈越大,，進(jìn)入系統(tǒng)的光線越多，圖像亮度越高,；光圈越小,，進(jìn)入系統(tǒng)的光線越少，圖像越暗,。
光圈越大,，景深越小，虛化明顯,；光圈越小,，景深越大。圖3：大光圈通光量大,，景深小虛化明顯

景深定義：
鏡頭對(duì)某一物平面對(duì)焦后,，在對(duì)焦平面的前后都有一段能清晰成像的范圍，分別稱為前景深和后景深,。景深=前景深+后景深,；
圖4：景深與焦深
 
成像光束未會(huì)聚于一點(diǎn)，在像平面上形成一個(gè)擴(kuò)散的圓形投影,，稱為彌散圓,。
景深ΔL=ΔL1+ΔL2
       δ：彌散圓直徑；
       f ：焦距；
       F：光圈F值,；
       L：工作距離,；

       減小光圈（增大F值）、增加工作距離,、選擇小焦距鏡頭均可使景深增加,。
 3.視場(chǎng)角：定義：以光學(xué)鏡頭為頂點(diǎn)，以被測(cè)物體通過(guò)鏡頭的較大成像范圍的兩邊緣構(gòu)成的夾角叫做視場(chǎng)角,。
視場(chǎng)角的大小決定了鏡頭的視野范圍,，視場(chǎng)角越大，視野就越大,，光學(xué)倍率也就越小,。
視場(chǎng)角與傳感器尺寸有關(guān)，鏡頭的視場(chǎng)角應(yīng)標(biāo)明標(biāo)準(zhǔn)傳感器尺寸,。
以聯(lián)合光科16mm 2/3" 5M 定焦鏡頭 為例：
 

 表1：16mm鏡頭傳感器與視場(chǎng)大小
  
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(huì)有不同的視場(chǎng)角,。圖5：同款相機(jī),，相同工作距離，不同焦距的拍攝效果（注：圖中所標(biāo)為水平視場(chǎng)角）視場(chǎng)角與焦距有關(guān),，在使用相同感光元件的情況下,，搭配的鏡頭焦距越長(zhǎng)，視場(chǎng)角越小,。圖6：鏡頭焦距與視場(chǎng)角 4.畸變
定義：鏡頭對(duì)被攝物體所成的像相對(duì)于物體本身的失真程度稱為畸變,。
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(shí)際這一性質(zhì)只有在圖像中心區(qū)域的小視場(chǎng)才具備,。圖像的放大倍率會(huì)隨著視場(chǎng)增大而變化，使成像產(chǎn)生失真,。
畸變通常分為兩種：
枕形畸變：鏡頭成像畫(huà)面呈向中間收縮的失真現(xiàn)象,。
桶形畸變：鏡頭成像畫(huà)面呈桶形膨脹狀的失真現(xiàn)象。
畸變會(huì)使圖像變形,，但不影響成像分辨率,，可以使用軟件校正?；兟试降捅硎剧R頭的光學(xué)素質(zhì)越好,。圖7：枕形畸變與桶形畸變 5.最大傳感器尺寸如下圖所示，鏡頭在像平面的成像是圓形,，但接收?qǐng)D像的傳感器通常為矩形,，所以最終保存的圖像是矩形,。圖8,圓形相面與矩形傳感器
以下圖為例，鏡頭成像尺寸會(huì)按照通用傳感器的尺寸設(shè)計(jì),，使得圓形像面外沿與矩形傳感器四角正好相接,，這個(gè)傳感器尺寸就是該鏡頭的最大傳感器尺寸（下圖綠色2/3"傳感器）。如果使用更大尺寸的傳感器（下圖紫色1"傳感器）四個(gè)角會(huì)在鏡頭圓形像之外,。使用更小尺寸的傳感器（下圖粉色1/1.8"傳感器）,，傳感器只采集到圓形像較小區(qū)域，視場(chǎng)和視場(chǎng)角會(huì)變小,。圖9,11mm直徑像面與不同尺寸傳感器的匹配效果
市面上通用傳感器的名稱表述,，既不是傳感器的任何一條邊長(zhǎng)也不是對(duì)角線長(zhǎng)度，這樣的尺寸標(biāo)注難以形成具體尺寸的概念,。
下表是市場(chǎng)上常見(jiàn)的通用傳感器尺寸規(guī)格信息,，傳感器對(duì)角線長(zhǎng)度匹配鏡頭的像面尺寸的那款傳感器就是鏡頭的最大傳感器尺寸。
 

表2,，常見(jiàn)通用傳感器
 6.出瞳,，入瞳與孔徑光闌
出瞳是限制出射光束的有效孔徑,，是孔徑光闌被后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像,；出瞳距離是出瞳與鏡頭最后一個(gè)鏡片表面的距離；出瞳直徑就是孔徑光闌對(duì)后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像的大小,。
入瞳是限制入射光束的有效孔徑,，是孔徑光闌被前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像；入瞳距離是入瞳與鏡頭第一個(gè)鏡片表面的距離,；入瞳直徑就是孔徑光闌對(duì)前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像的大小,。
孔徑光闌：光路中所有可以限制光束的開(kāi)孔屏或者透鏡邊框都可稱為光闌，其中最終限制光路入射光束大小的光闌稱為孔徑光闌
 圖,10,，入瞳,，入瞳距離，孔徑光闌
以上圖光路為例,，1,，2鏡片邊緣，3光圈都可以限制入射光束,，圖中能通過(guò)1號(hào)鏡片的光束只有一部分能進(jìn)入2號(hào)鏡片,，通過(guò)2號(hào)鏡片的光束只有一部分能進(jìn)入3號(hào)光圈，所以3號(hào)光圈最終限制能進(jìn)入鏡頭成像的光束大小,，也就是這個(gè)光路的孔徑光闌,。在A點(diǎn)觀測(cè)時(shí)，3號(hào)光圈被1號(hào)和2號(hào)透鏡放大成4號(hào)虛像,，A點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)1號(hào)2號(hào)透鏡進(jìn)入3號(hào)光圈,，與光從A點(diǎn)直接進(jìn)入4號(hào)等效,。把光圈對(duì)兩個(gè)透鏡所成的4號(hào)像稱為入瞳，入瞳與鏡頭第一個(gè)鏡片之間的距離就是入瞳距離,。
 7.MTF曲線和分辨率：鏡頭的分辨率是指鏡頭可以分辨兩個(gè)靠近的點(diǎn)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,。橫坐標(biāo)表示空間頻率，即每mm線對(duì)數(shù),，可以代表兩個(gè)點(diǎn)的靠近程度,。縱坐標(biāo)表示傳遞函數(shù)代表對(duì)比度,，數(shù)值為1,，線對(duì)對(duì)比明顯，可清晰分辨,；數(shù)值為0,，線對(duì)沒(méi)有反差無(wú)法分辨。圖4,線對(duì)對(duì)比度1和0.6的圖像圖5,某型號(hào)鏡頭MTF曲線
圖5中有多條曲線,，每條曲線都標(biāo)注像高,。0mm表示軸上MTF數(shù)值，4.5mm表示軸外像高4.5mm的MTF數(shù)值,。不同像高的MTF曲線趨勢(shì)一致性高,，不分散，表示鏡頭軸上軸外一致性高,。黑色直線代表受物理極限限制的MTF數(shù)值,。


傳感器分辨率一般指橫向與縱向像素?cái)?shù)乘積，如500萬(wàn)像素,，傳感器橫向與縱向像素?cái)?shù)為2560×1920,。單個(gè)像素即像元的尺寸，與傳感器的尺寸和分辨率相對(duì)應(yīng),?？梢愿鶕?jù)表1傳感器尺寸除以像素?cái)?shù)量，得到像元尺寸,。如2/3“ 500萬(wàn)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(duì)尺寸的一半選擇像元尺寸,。

以1/1.8“小像元鏡頭為例，是230lp/mm高分辨率設(shè)計(jì),，線對(duì)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(lái)更豐富的細(xì)節(jié)
 8.主光角鏡頭主光角CRA（Chief Ray Angle）,，表示鏡頭主光線與光軸的夾角。主光線是從被觀測(cè)物體發(fā)射,，經(jīng)孔徑光闌的中心到成像的光線,。
傳感器主光角CRA，表示可以聚焦到像素上的光線的最大角度,。超過(guò)此角度的光束不能被傳感器接收,。一般要求鏡頭CRA不大于相機(jī)傳感器CRA圖6,傳感器主光角a.像素上方聚光透鏡，b.金屬導(dǎo)線,，c.光電轉(zhuǎn)換區(qū)域,。

圖中1號(hào)光線主光角超過(guò)傳感器CRA，光線無(wú)法到達(dá)光電轉(zhuǎn)換區(qū)域,；2號(hào)3號(hào)主光角小于傳感器CRA,，光線可以到達(dá)光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。
 9.遠(yuǎn)心光路結(jié)構(gòu)與遠(yuǎn)心度遠(yuǎn)心光路有物方遠(yuǎn)心,，像方遠(yuǎn)心和雙遠(yuǎn)心三種結(jié)構(gòu),。圖7,物方遠(yuǎn)心光路
孔徑光闌在像方焦平面上，進(jìn)入鏡頭的主光線都通過(guò)光闌中心的像方焦點(diǎn),，在物方這些主光線都平行于光軸,。即只有平行于光軸的光線才能通過(guò)光闌,，被測(cè)物距離鏡頭遠(yuǎn)近,，成像大小一致。圖8,，像方遠(yuǎn)心光路
孔徑光闌在物方焦平面上,，進(jìn)入鏡頭的主光線都通過(guò)光闌中心的物方焦點(diǎn)，在像方這些主光線都平行于光軸,。通過(guò)光闌的光線通過(guò)鏡頭都平行與光軸,，傳感器與鏡頭距離不影響成像大小。圖9,，雙遠(yuǎn)心光路
光闌所在的平面,，既是物方焦平面，也是像方焦平面,。物方主光線與像方主光線都平行于光軸,。
遠(yuǎn)心度：遠(yuǎn)心鏡頭主光線偏離于光軸的角度，角度越小遠(yuǎn)心度越好,，成像的倍率誤差就越小,，測(cè)量也就越精確,。
 10.卡口主流工業(yè)鏡頭一般使用C卡口，卡口螺紋M25.4x0.8
具體名稱和,，對(duì)應(yīng)法蘭距,，以及螺紋尺寸請(qǐng)見(jiàn)下表：

 11.光學(xué)總長(zhǎng)與變焦，調(diào)焦鏡頭第一片鏡片表面到像平面的距離就是鏡頭的光學(xué)總長(zhǎng),。圖10,，光學(xué)總長(zhǎng)示意圖