光学镜头理论基础

光学镜头基础知识
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纲要
• • • 光学基本定律
– 光学三大定律：折射、反射、直线传播
光学镜头基本
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EFL、FNO.、BFL、FFL、光阑、FOV、相对照度、MTF等
认识MTF曲线、离焦曲线，理解空间频率 从拍摄效果理解MTF MTF、空间频率、TV分辨率三者关系 景深概念、及如何扩大景深
镜头规格
FNO=EFL(焦距)/D(光圈直径)
EFL
D
镜头规格
加深理解——BF、FB、MB
MB---机械后焦，指镜头最后的机械面到像面的距离， 对于CS接口镜头，此值偏小，有可能造成无法对焦问 题。 BF---光学后焦，指镜头最后一片镜片最后一面中心点 到像面的距离。一般通过测量BF来间接计算MB和FB 值。 FB---法兰后焦，镜头法兰面到像面的距离。
景深
景深
景深与对焦距离的关系
前景深 ΔL1= FδL2/ （f2 + FδL） 后景深 ΔL2= FδL2/ （f2 - FδL） 景深 ΔL =2f2FδL2/（ f4 - F2δ2L2） δ——容许弥散圆直径 f——镜头焦距 F——镜头的拍摄光圈值 L——对焦距离 ΔL1—— 前景深 ΔL2——后景深 ΔL——景深
MTF、景深、FILTER
上图是一条MTF曲线，里面包含的信息有：MTF、空间频率和像高。 • MTF可以近似理解为黑白线条的对比度，最大值为1； • 空间频率的单位是lp/mm，200lp/mm表示1毫米距离内的黑白线对数； • 不同颜色的曲线表示不同的像高，T和S分别表示法线和切线方面的MTF。补充说明：像面大小一 般分两种表示方法，一种是像面大小，用直径表示，一种是像高，用距离表示。比如像面Φ6mm对应 的像高是3mm； 从此副MTF曲线图可以看出，这款镜头的可以匹配1/3”的sensor。
No.1
如何消除莫尔条纹？ 低通滤波器（OLPF）
无OLPF的光学系统 有OLPF的光学系统
No.1 No.2
OLPF
No.2
No.3
Sensor
No.3
MTF、极限分辨率、FILTER
知道了OLPF，再说一下IR-CUT
Spectral characteristics (with IR) 1 0.9
景深
景深与光圈的关系
景深
景深与光圈的关系
F2.8
F8
F22
景深
景深与对焦距离的关系
对焦物距1 对焦物距2
超焦距
景深
影响景深大小的因素： •光圈 •焦距 •对焦距离 这是从公式中得到的。除了以上三个光学参数外，镜头 自身的分辨率及CCD的倾斜都会对景深造成很大的影响 。
景深
设计曲线
像面倾斜0.5°后 （按1/3" CCD 则倾斜 约0.05mm）：
Output (Normalization ）
Spectral characteristics (with IR) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400
T
B GB R GR
C5000 Spectral characteristics 100 90 80 70
景深
MTF曲线的形状，再加上图像处理，可以得到较宽的景深。这种技术叫EDOF。 其原理是首先镜头设计上首先要保证高频的MTF，画面的均匀性（从中心到边缘衰减比较缓慢），这样 的镜头在普通的相机上的效果会较一般镜头锐利度差一些，但细节的分辨能力没有降低，他牺牲了低频的 MTF，但换来了更大的焦深，对应的景深会更大一些。这时，再加上适当的图像处理，可以得到较大的景深 。
Transmission ]
60 50 40 30 20 10 0 400 500 600 700 800 Wave length [nm] 900 1000
40
650
700
750
800
850
900
950 1000
Wave length [nm]
对于红外波段（650nm）以上，不能被人眼识别， 但芯片可以感应，这样拍摄出来的画面就会泛红， 与人眼观测到的景物在颜色上存在严重差异，所以 需要增加IR-CUT，滤掉红外波段的光线。
镜头规格
加深理解——BF、FB、MB
此距离 应大于 FB-MB 以上两款镜头的MB值分别为7.81和6.97，这就要求相机定位面到 sensor的距离不能大于6.97，否则出现无法聚焦清楚的情况。
镜头规格
加深理解——Resolution
Resolution---分辨率，对于镜头分辨率规格的标注，常用①一定空间频率下的MTF（最大值为1，最 小为0）、②MTF=0.2时的空间频率（lp/mm）、③可达到的最大解析度三种表示方法。
MTF、空间频率、滤光片
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景深
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光学基本定律
光学(optics)是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理 学科。
光在均匀介质中沿直线传播
反射角等于入射角。i = i’
n1 sin i = n2 sin r
镜头规格
先一起看看下面这个镜头的规格表
镜头规格
加深理解——EFL与FOV 视场角：若Y’为sensor的半对角线长度，则视场角2θ=2*arctan(Y’/f),
Y ’
f
镜头规格
加深理解——EFL与FOV 焦距越短，视场角越大，放大倍率越小，监控范围越大，监控画面中 的人越小，反之视场角越小，放大倍率越大，监控画面中人越大
镜头规格
加深理解——FNO.
FNO=EFL(焦距)/D(光圈直径)
对于定焦镜头（光圈直径）越大， 通光量就越大；
在一般环境下由于sensor会自动调 整曝光值，此时就比较不出FNO数 值不同的镜头的好坏； 但在低照度环境下，sensor曝光已 经到极限，因此FNO小的镜头会在 亮度表现上会有比较佳的表现。来 说，焦距一定，FNO越小，D
MTF、极限分辨率、FILTER
由上页可知，当F>Fn时，Sensor输出的信号就会有杂讯产生，通常杂讯的表现为莫尔条纹。
2.8mm定焦镜头配6.5μ的CCD，由于镜头的 分辨率远远高于芯片的极限分辨率，所以产生 明显的莫尔条纹 百万像素镜头配合2.5μ的CMOS，镜头的分辨率没 有高于芯片的极限分辨率，所以没有莫尔条纹产生 。
MTF、极限分辨率、FILTER F：Frequency
镜头的分辨率（F）与芯片的极限分辨率（Fn）关系 F>Fn F=Fn F=Fn/2
Fn： Nyquist’s limit frequency
光信号( 被摄物)
Sensor 接受信 号中
Sensor 输出信 号
分辨率过高,Sensor不能分辨 ，产生莫尔条纹 临界点 可以分辨
谢谢
MTF、景深、FILTER
同一频率时MTF值不同，给图像带来的差异：
MTF、景深、FILTER
MTF值相同，形状不同带来的图像差异：
MTF、景深、FILTER
上图是一条离焦曲线，里面包含的信息有：MTF、焦深、空间频率和像高。 一般镜头的焦深范围标准是：MTF>0.3 焦深≥0.02mm，空间频率为1/4的芯片极限分辨率； 芯片的极限分辨率=2倍的pixel size分之一，单位为lp/mm 焦深越大，镜头聚焦越容易。
MTF、极限分辨率、FILTER
芯片的极限分辨率计算公式是2倍的pixel size分之一，再乘以1000。6.5μ和2.5μ对应的极限分辨率分别是 77lp/mm和200lp/mm，说明M12定焦镜头的分辨率远远高于77lp/mm，百万像素镜头的分辨率未大于200lp/mm 。
MTF、极限分辨率、FILTER
景深
CCD感光面相对于镜头成像面倾斜的 误差来源： •CCD定位误差
•CCD贴片倾斜 •导热铝块平行度
•主板定位误差
•主板平行度 •相机前盖与主板的定位面平行度 •螺钉拧入的松紧程度造成主板的倾斜
•镜头定位误差
•相机接口螺纹同轴度 •镜头接口螺纹同轴度
以上8项误差累计，造成CCD相对于 镜头像面倾斜几度呢？（对于 1/3”CCD单边翘起0.05mm，即为5° ）
Output （ Normalization ）
注意区分两个频率: 电磁波的频率，在可见光范围内，通常用波长间接 表达,单位为nm； 空间频率，和分辨率有关，单位是lp/mm
B GB R GR
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 Wave length [nm]
从公式可以看出，后景深 > 前景深。 由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距 离以及对像质的要求(表现为对容许弥散圆的大小)有关。 超焦深的计算：f2 – FδL＝0时，后景深为无穷远。在聚焦时，最好能 将焦点聚在能产生超焦深的焦点处，从前焦深处开始聚焦，这样，画 面处所有的画面都能清晰聚焦。