镜头的参数与成像

最近几天手头刚好有一个闲置的变焦镜头，在把玩的同时对相机的成像特点又有了一些理解。为了不让这些理解被丢进记忆的垃圾堆，打算做一些记录和梳理。

镜头

镜头的参数其实是很多的，主要有

• 焦距：可以分为物理焦距与摄影焦距。
• 光圈：大小决定了图像的亮度，在拍摄高斯运动物体、曝光时间很短的应用中，应该选用大光圈镜头，以提高亮度。
• 景深：指的是在理想对焦状态下物体允许的前后方向的移动量。（在此范围内可以认为成像是清晰地）
• 视野范围：比较简单的理解就是有多少度（手头这个最大110°）的视场；
• 对应最大ccd尺寸（靶面尺寸）：镜头成像直径可以覆盖的最大CCD芯片的尺寸；
  • 镜头的靶面尺寸应该是大于等于镜头的，不然成像会出现黑边；
  • 该参数一般使用英寸来衡量的，最小的一般是1/4‘’，最大的是1‘’；
• 接口：比如C、CS等，只要可以和相机接口匹配安装即可；

焦距

• 物理焦距：一个单片凸透镜的焦距指的是平行光线经过凸透镜汇聚后的一点到透镜中心的距离（如下图所示）。一般来说，物理焦距在镜片制作完成后就固定了，是不可变的性质。

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当然，现在很多镜头其实是变焦镜头，这些镜头一般由多片透镜组成，可以通过调节多个透镜之间的相对距离，来对整体的物理焦距进行调整。

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• 摄影焦距：相信很多人都有对着单片的定焦镜头进行旋转的调焦经历，其实此处调节的不是物理焦距，而是摄影焦距---即相距，成像平面（cmos芯片）与镜头之间的距离。

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通过对相距的调节，使得其与焦距匹配，可以获得清晰的成像。

调焦的原因

谈到调焦的原因，首先需要谈到凸透镜的两个光学性质。 - 同一个三维点发出的各个方向的光线，经过镜头后必定汇聚于同一点； - 与透镜切面平行的平面上不同的点发出的光线，经过镜头后，汇聚于不同的点；

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上述的两个性质使得：对于与透镜切面平行的一个面，通过调整相距，可以通过透镜清晰成像。如果摄影焦距不当，则会导致一个点不同方向的光线会投影到成像平面上的不同点，出现混叠。

焦距与距离的关系

有的时候，我们使用相机拍摄经常会拍摄出如下的照片，只有某个距离的成像是清晰地，更近或者更远的场景成像是模糊的。

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这个现象的原因是，对于距离镜头切面不同距离的点，摄影焦距是不一样的。如下图所示，A1与A2的摄影焦距显然不同。

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因此，根据我们想要拍摄的物体到镜头的距离，我们需要调出一个合适的相距，才能使得该物体在cmos芯片上得到清晰的成像。

景深

看到这里，很多人陷入了疑惑：之前我看到的那些清晰的照片都是怎么来的呢？这就要提及景深的概念了。

事实上，人眼的分辨能力是有限的，因此即使相距与摄影焦距不是完全相同，只要在某个阈值以内，我们看到的成像都是清晰地。而这就带来了景深的概念。景深指的是某个距离范围，在这个范围内成的像都可以看作是清晰的。如下图所示。

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可以想象，如果景深很大的话，随便拍一张图片，也基本都是清楚的。一般来说，景深随着镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。

• 光圈越小，景深越大；
• 物理焦距越小，景深越大；（后两个需要测试确定）
• 摄影焦距越大，景深越大；

光圈

镜头的光圈影响了进光量，也影响了景深。一般光圈的大小可以用f值来表示，表示开了几分之几。比如说f/2.0表示开了1/2，如下：

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一般来说，光圈越大，代表进光量越大，那么曝光时间相应的就可以设置的短一点，比较适合用来拍摄快速运动的物体。

同时，光圈越大，会使得景深变小（如下图），因此也不能无限扩大光圈。

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镜头的选择

• 接口：需要和相机接口匹配（比如当前手头的就是C接口的）；
• CCD尺寸：镜头可支持的最大CCD尺寸应大于选配相机的CCD尺寸（不然最后图像四周会出现黑边）；
• 镜头焦距：可以根据相机CCD尺寸(相机型号尺寸)、工作距离、视场大小（也就是物体的高宽等）计算所需的镜头焦距；

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• 镜头光圈范围：根据所需曝光时间、景深等联合决定；

相机的参数

上面谈论的主要是镜头的一些参数，但是获得图像的质量不仅仅是由镜头决定的，相机的素质也很重要。下面总结一些相机的比较关键的性质。

• 曝光：
  • 自动曝光：相机根据图像亮暗程度自动调节曝光时间；
    • 这种方式其实如果自动曝光控制的好的话很不错，但是实际使用发现很容易出现过曝的情况；
  • 固定曝光：为相机设置固定的曝光时间；
    • 优点：可以根据需要合理设置曝光时间，提高时间戳的准确度等；
    • 缺点：在不同光源图像亮暗差异会很大，需要一些后处理；
  • 全局曝光（测量学常用）
  • 卷帘曝光（容易出现运动模糊）
• 相机靶面尺寸：如果这个尺寸太小，镜头的大视角成像只能投影上去一部分，不利于大视角成像；太大超过镜头的靶面尺寸，会导致出现黑边；
• 相机分辨率
• 触发方式
  • 硬件触发：脉冲触发
  • 软件触发：往寄存器里写数据触发
• 帧率（一般与分辨率、像素时钟之间存在耦合）；
• pixel clock：像素时钟频率越高，可达帧率越高；

参考文献

• [1] https://www.cnblogs.com/YongQiVisionIMAX/p/13872075.html