光学镜头基础知识及测试
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Confidential
自动光圈控制
Rev PA1
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Confidential
3、应用
• 外部环境光照度存在较大变化时，采用自 动光圈镜头；光照度基本恒定时，采用手 动光圈镜头。增加光圈的级数，可以获得 更为理想的曝光量。例如：在2.8与4之间 增加F数为3.5一档，即前一档的入射光通 量是后一档的1.5倍。
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Confidential
变ห้องสมุดไป่ตู้镜头VS定焦镜头
• 对于变焦镜头，倍数越大，所需要的透镜组越多， 制造工艺越复杂。我们知道，光线达到透镜表面 之后会有一部分光穿过透镜被折射过去，另一部 分光被反射回去。由于透镜组增多，被透镜反射 的光就越多，经过透镜折射然后到达底片上的有 效成像光就越少。并且由于透镜间光线的反复折 射互相叠加干涉，也会使成像质量下降。
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Confidential
变焦镜头
• 通过镜头镜片之间相互移动，使镜头焦距 可在一定范围内连续变化，从而在无需改 变镜头的条件下，相机既可以获得目标的 全景象，又可获得局部像。变焦范围有6、 8、10、12、16、20、50倍等。 •
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Confidential
自动对焦
• 相机自动对焦是一个复杂的光电一体化的 过程，简单说其基本原理是将物体反射的 光被传感器CCD接受，通过处理器处理， 带动电动对焦装置进行对焦。
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Confidential
自动对焦
• 由物镜L、分光棱镜P、线阵图像传感器 CCDA和 CCDB、CCD驱动器、信号处理电路、步时电机及 驱动电路构成。两个CCD分别放在焦平面的前部 （A点）和后部（B点），与焦平面相距一个小间 隔 。分光棱镜使同一视场的光分离，分别被两 个CCD接收。当两路CCD信号中的高频成分相等 时，表示对焦，不等表示离焦。同时，根据两路 CCD高频分量大小，可判断是前离焦或后离焦。
Rev PA1
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Confidential
光学变焦VS数码变焦
• 光学变焦：通过移动镜头内部镜片来改变镜头焦距的长短。 • 数字变焦也称数码变焦（Digital Zoom），是通过相机 内的处理器，把图片内的每个象素面积增大，从而达到放 大目的。如同用图像处理软件把图片的面积改大，只是程 序在相机内进行，把原来CCD影像感应器上的一部份像素 使用“插值”处理手段做放大,将CCD影像感应器上的像 素用插值算法将画面放大到整个画面。 通过数码变焦，拍摄的景物放大了，但它的清晰度会有一 定程度的下降 。数码相机的数码变焦一般在6倍左右，摄 像机的数码变焦在44倍-600倍左右，实际使用中有40倍 就足够了。因为太大的数码变焦会使图像严重受损，有时 候甚至因为放大倍数太高，而分不清所拍摄的画面。
Confidential
Camera
Rev PA1
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Confidential
主要内容
• 光学镜头基础知识 • CCD&CMOS性能对比 • 相机成像质量主要评测参数 • 测试卡 • 图像分析软件 • 实验方法 • 干涉衍射三原色散射几种现象
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Confidential
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7
Confidential
2、自动光圈控制
（1）成像目标的反射光经光学镜头、可变光圈 聚焦在CCD(CMOS)的光敏面上。 （2）CCD(CMOS)相机将光信号转换成相应的 电信号，并进行信号处理输出所需的视频信号。 （3）另一路输出信号经放大（Amplifier)、箝 位（Clamp)、送入积分器（Integrator)。积 分后的结果与参考电平（Reference level)比 较，确定光圈改变的方向及大小。 （4）当积分信号低于（高于）标准电平时，驱 动电机旋转，带动光圈向增大（减小）通光孔 径的方向改变，从而调节光敏面的照度，获得 清晰图像。
镜头 孔径光阑 光阑 视场光阑 消杂光光阑
消除杂光
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Confidential
镜头的分类
• 焦距：广角镜头、标准镜头、长焦镜头； • 调焦方式：手动调焦、自动调焦；变焦倍 数分2、6、10、20倍变焦等； • 光圈：手动光圈、自动光圈。
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自动对焦
• “自动对焦”就是由机器根据拍摄现场的光 线被摄物体的距离等参数,自动设定快门与 焦距以保证照片的最佳效果.手机因体积所 限,不可能加上调焦、快门等把手,这就使 “自动对焦”功能尤为重要! • 自动对焦是将被摄物拍的更加清楚！
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Confidential
镜头的接口
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Confidential
2、畸变客观评测
• 畸变虽然不会影响成像的清晰度，但是影响成像 的形状 • 1分类：广角端桶形畸变、长焦端枕形畸变 • 2定义：离图像中心的径向距离h'相对于其理想值 h的偏差来衡量
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Confidential
相机成像质量主要参数
• 1 SNR Uniformity • 2 Distortion • 3 OECF 信噪比 像面响应均匀性 畸变 光电转换函数
• 4 Resolution 分辨力 • 5 SFR（MTF) 空间频率响应 • 6 SQF 主观质量因子
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Confidential
自动对焦
• 具备以下三点特性 1.以某种方式自动判断拍摄者所拍摄的主 体； 2.以某种方式测量被摄主体与相机感光元 件之间的距离； 3.驱动马达将镜头的对焦装置推到与之相 应的距离刻度。
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Confidential
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3
Confidential
Camera lens system
•
• •
相机的镜头类似于人眼的晶状体。没有晶状体，人眼看 不到任何物体，没有镜头，相机无法输出清晰的图像。 成像视觉中，镜头作用：将成像目标聚焦在图像传感器 的光敏面上。镜头质量直接影响相机的整体性能。 Lens are camera’s eyes, They preprocess the light which will reach the camera sensor and make a clear image on the sensor. The system usually includes several lens components aims to make a better image.
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Confidential
自动对焦系统原理框图
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Confidential
Z:离焦量 V：高频电压有效值 O：焦平面位置
VA=VB,实现了 对焦（Z=0)
VA VB VT
由于系统噪声 及CCD性能差异， 严格对焦很困难，实际 选择一个阈值 VT ,当 VA VB VT 时,认为 已经对焦。
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Confidential
CCD&CMOS
• 一、成像过程。原理相同，只是读取过程不同：CMOS图像
传感器经光电转换后直接产生电流（电压）信号，以类似 DRAM的方式读出信号，工作时仅需单一工作电压供电； CCD以电荷包的形式进行存储及转移，其信号的读取需要多 路外部驱动脉冲机电源的支持，系统电路复杂。 • 二、集成性。CMOS图像传感器可将光敏元阵列、信号读取 电路、A/D转换电路、图像信号处理电路及控制器等集成在 一个芯片上，易于实现单芯片的成像系统；由于和CMOS工 艺不兼容，CCD难以将时序发生器、驱动电路及信号处理电 路等集成在同一芯片上。要有3-5个芯片来实现这些功能，使 系统体积重量增大，不利于系统的微型化。 • 三、噪声。CMOS集成度高，各原件、电路之间距离很近， 干扰严重，噪声对图像质量影响大；CCD技术较成熟，PN结 或二氧化硅隔离层隔离噪声，成像质量好。 • 四、功耗。CMOS只需一路电源供电(3-5V),功耗仅为CCD 的1/10，CCD需要3路以上电源来满足特殊时钟驱动的需要， 功耗大。
• C型和CS型，均是国际标准接口，其旋合 长度、制造精度、靠面尺寸及后截距公差 均应符合相关要求。C型接口的后截距为 17.526mm，CS型接口的后截距为 12.526mm。
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镜头的性能指标
•
Confidential
•
一、焦距 f ：（1）对同同一目标成像时，镜头的焦 距越大，所成的像就越大 （2）焦距还直接与镜头 的视场有关，短焦距镜头具有较大的视场，长焦距 f' 镜头具有较小的视场。 当物体无限远时，关系式 y ' f ' tg 。 为： ' 二、相对孔径：D/f 表示。对相机镜头的分辨率、 相面照度构成直接影响。光学镜头的外境筒上，刻 有F数或者光圈数，相对孔径的倒数。
1 D N ' 1.22 f
π KL D 2 x2 E ( ) 4 f ' ( x )2
' 0
'
1
分辨率完全有相对孔径决定，正比关系
相面照度与相对孔径的平方成正比
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Confidential
• 三、视场角：决定图像传感器成像的空间范围，与 镜头焦距有关。镜头焦距一定时，视场角越大，目 标图像越大。当CCD器件尺寸一定时，焦距越长， 视场角越小。按视场角大小，光学镜头分为标准镜 头、广角镜头和长焦距镜头。 • 四、光谱特性：光学镜头对各波段光线的透过率特 性。即所拍图像的颜色与成像目标的颜色具有较高 的一致性。因此希望各波段透过光学镜头时，除在 总强上有一定损失外，其光谱组成不发生改变。 影响因素：膜层的干涉特性、玻璃材料的吸收特性。 要求：镜头最高分辨力的光线应与照明波长、CCD 器件接收波长相匹配，并使光学镜头对该波长的光 线透过率尽可能的提高。
Camera block diagram:
1.Lens system镜头 2.Motor (control the position of Lens)控 制驱动系统 3. Sensor: CMOS or CCD type图像传感器 4. DSP: Digital Signal Processing数字信号 处理
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Confidential
镜头基本结构
正透镜 透镜 负透镜 特性（色差、色散等）相反，配合使用， 矫正像差及各类失真。变焦镜头既要保 证焦距在较大范围内可调，又要保证成 像在光敏面上，因此由多组正负透镜组 成。 普通镜头都有光圈调节环，调节环转动 时带动镜头内的黑色叶片以光轴为中心 伸缩运动，为可变孔径光阑 决定成像面大小
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Confidential
组成
调焦组：通过小范围的轴向移动，实现镜头的聚焦调整。
• 变倍组、补偿组、固定组等构成
变倍组：通过轴向移动，实现焦距连续可调。 变焦 镜头
补偿组：变倍组移动调焦时，成像面随之变化，随补偿组进行 相应的移动，使成像面保持在图像传感器的光敏面上。
后固定组：保证有一定的装座距离。
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Confidential
1、 SNR& Uniformity
一、信噪比直接体现了图像传感器的噪声和 暗电流水平 。 二、反映数码相机成像系统各个光敏元之间 输出信号的差别。它是一项评价相机成像 系统的光学成像部分和图像传感器芯片上 各个光敏元响应度以及后期信号处理电路 的综合技术指标。
6
Confidential
1.镜头光圈
'
F • 光圈表示：通过开口大小控制曝光量， f / D 焦距与光束直径的比值，也称为F数（光圈 系数），越小越好。例如：一只 f 50mm 的 镜头，最大光孔直径为25mm时，该镜头 的相对孔径为1：2，即 F 2 。 定焦镜头的F数已经标准化。目前常用的为： F=1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22,32等。
Confidential
自动光圈控制
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3、应用
• 外部环境光照度存在较大变化时，采用自 动光圈镜头；光照度基本恒定时，采用手 动光圈镜头。增加光圈的级数，可以获得 更为理想的曝光量。例如：在2.8与4之间 增加F数为3.5一档，即前一档的入射光通 量是后一档的1.5倍。
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变ห้องสมุดไป่ตู้镜头VS定焦镜头
• 对于变焦镜头，倍数越大，所需要的透镜组越多， 制造工艺越复杂。我们知道，光线达到透镜表面 之后会有一部分光穿过透镜被折射过去，另一部 分光被反射回去。由于透镜组增多，被透镜反射 的光就越多，经过透镜折射然后到达底片上的有 效成像光就越少。并且由于透镜间光线的反复折 射互相叠加干涉，也会使成像质量下降。
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变焦镜头
• 通过镜头镜片之间相互移动，使镜头焦距 可在一定范围内连续变化，从而在无需改 变镜头的条件下，相机既可以获得目标的 全景象，又可获得局部像。变焦范围有6、 8、10、12、16、20、50倍等。 •
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自动对焦
• 相机自动对焦是一个复杂的光电一体化的 过程，简单说其基本原理是将物体反射的 光被传感器CCD接受，通过处理器处理， 带动电动对焦装置进行对焦。
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自动对焦
• 由物镜L、分光棱镜P、线阵图像传感器 CCDA和 CCDB、CCD驱动器、信号处理电路、步时电机及 驱动电路构成。两个CCD分别放在焦平面的前部 （A点）和后部（B点），与焦平面相距一个小间 隔 。分光棱镜使同一视场的光分离，分别被两 个CCD接收。当两路CCD信号中的高频成分相等 时，表示对焦，不等表示离焦。同时，根据两路 CCD高频分量大小，可判断是前离焦或后离焦。
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光学变焦VS数码变焦
• 光学变焦：通过移动镜头内部镜片来改变镜头焦距的长短。 • 数字变焦也称数码变焦（Digital Zoom），是通过相机 内的处理器，把图片内的每个象素面积增大，从而达到放 大目的。如同用图像处理软件把图片的面积改大，只是程 序在相机内进行，把原来CCD影像感应器上的一部份像素 使用“插值”处理手段做放大,将CCD影像感应器上的像 素用插值算法将画面放大到整个画面。 通过数码变焦，拍摄的景物放大了，但它的清晰度会有一 定程度的下降 。数码相机的数码变焦一般在6倍左右，摄 像机的数码变焦在44倍-600倍左右，实际使用中有40倍 就足够了。因为太大的数码变焦会使图像严重受损，有时 候甚至因为放大倍数太高，而分不清所拍摄的画面。
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Camera
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主要内容
• 光学镜头基础知识 • CCD&CMOS性能对比 • 相机成像质量主要评测参数 • 测试卡 • 图像分析软件 • 实验方法 • 干涉衍射三原色散射几种现象
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2、自动光圈控制
（1）成像目标的反射光经光学镜头、可变光圈 聚焦在CCD(CMOS)的光敏面上。 （2）CCD(CMOS)相机将光信号转换成相应的 电信号，并进行信号处理输出所需的视频信号。 （3）另一路输出信号经放大（Amplifier)、箝 位（Clamp)、送入积分器（Integrator)。积 分后的结果与参考电平（Reference level)比 较，确定光圈改变的方向及大小。 （4）当积分信号低于（高于）标准电平时，驱 动电机旋转，带动光圈向增大（减小）通光孔 径的方向改变，从而调节光敏面的照度，获得 清晰图像。
镜头 孔径光阑 光阑 视场光阑 消杂光光阑
消除杂光
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镜头的分类
• 焦距：广角镜头、标准镜头、长焦镜头； • 调焦方式：手动调焦、自动调焦；变焦倍 数分2、6、10、20倍变焦等； • 光圈：手动光圈、自动光圈。
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自动对焦
• “自动对焦”就是由机器根据拍摄现场的光 线被摄物体的距离等参数,自动设定快门与 焦距以保证照片的最佳效果.手机因体积所 限,不可能加上调焦、快门等把手,这就使 “自动对焦”功能尤为重要! • 自动对焦是将被摄物拍的更加清楚！
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镜头的接口
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2、畸变客观评测
• 畸变虽然不会影响成像的清晰度，但是影响成像 的形状 • 1分类：广角端桶形畸变、长焦端枕形畸变 • 2定义：离图像中心的径向距离h'相对于其理想值 h的偏差来衡量
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相机成像质量主要参数
• 1 SNR Uniformity • 2 Distortion • 3 OECF 信噪比 像面响应均匀性 畸变 光电转换函数
• 4 Resolution 分辨力 • 5 SFR（MTF) 空间频率响应 • 6 SQF 主观质量因子
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自动对焦
• 具备以下三点特性 1.以某种方式自动判断拍摄者所拍摄的主 体； 2.以某种方式测量被摄主体与相机感光元 件之间的距离； 3.驱动马达将镜头的对焦装置推到与之相 应的距离刻度。
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Camera lens system
•
• •
相机的镜头类似于人眼的晶状体。没有晶状体，人眼看 不到任何物体，没有镜头，相机无法输出清晰的图像。 成像视觉中，镜头作用：将成像目标聚焦在图像传感器 的光敏面上。镜头质量直接影响相机的整体性能。 Lens are camera’s eyes, They preprocess the light which will reach the camera sensor and make a clear image on the sensor. The system usually includes several lens components aims to make a better image.
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自动对焦系统原理框图
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Z:离焦量 V：高频电压有效值 O：焦平面位置
VA=VB,实现了 对焦（Z=0)
VA VB VT
由于系统噪声 及CCD性能差异， 严格对焦很困难，实际 选择一个阈值 VT ,当 VA VB VT 时,认为 已经对焦。
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CCD&CMOS
• 一、成像过程。原理相同，只是读取过程不同：CMOS图像
传感器经光电转换后直接产生电流（电压）信号，以类似 DRAM的方式读出信号，工作时仅需单一工作电压供电； CCD以电荷包的形式进行存储及转移，其信号的读取需要多 路外部驱动脉冲机电源的支持，系统电路复杂。 • 二、集成性。CMOS图像传感器可将光敏元阵列、信号读取 电路、A/D转换电路、图像信号处理电路及控制器等集成在 一个芯片上，易于实现单芯片的成像系统；由于和CMOS工 艺不兼容，CCD难以将时序发生器、驱动电路及信号处理电 路等集成在同一芯片上。要有3-5个芯片来实现这些功能，使 系统体积重量增大，不利于系统的微型化。 • 三、噪声。CMOS集成度高，各原件、电路之间距离很近， 干扰严重，噪声对图像质量影响大；CCD技术较成熟，PN结 或二氧化硅隔离层隔离噪声，成像质量好。 • 四、功耗。CMOS只需一路电源供电(3-5V),功耗仅为CCD 的1/10，CCD需要3路以上电源来满足特殊时钟驱动的需要， 功耗大。
• C型和CS型，均是国际标准接口，其旋合 长度、制造精度、靠面尺寸及后截距公差 均应符合相关要求。C型接口的后截距为 17.526mm，CS型接口的后截距为 12.526mm。
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镜头的性能指标
•
Confidential
•
一、焦距 f ：（1）对同同一目标成像时，镜头的焦 距越大，所成的像就越大 （2）焦距还直接与镜头 的视场有关，短焦距镜头具有较大的视场，长焦距 f' 镜头具有较小的视场。 当物体无限远时，关系式 y ' f ' tg 。 为： ' 二、相对孔径：D/f 表示。对相机镜头的分辨率、 相面照度构成直接影响。光学镜头的外境筒上，刻 有F数或者光圈数，相对孔径的倒数。
1 D N ' 1.22 f
π KL D 2 x2 E ( ) 4 f ' ( x )2
' 0
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分辨率完全有相对孔径决定，正比关系
相面照度与相对孔径的平方成正比
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• 三、视场角：决定图像传感器成像的空间范围，与 镜头焦距有关。镜头焦距一定时，视场角越大，目 标图像越大。当CCD器件尺寸一定时，焦距越长， 视场角越小。按视场角大小，光学镜头分为标准镜 头、广角镜头和长焦距镜头。 • 四、光谱特性：光学镜头对各波段光线的透过率特 性。即所拍图像的颜色与成像目标的颜色具有较高 的一致性。因此希望各波段透过光学镜头时，除在 总强上有一定损失外，其光谱组成不发生改变。 影响因素：膜层的干涉特性、玻璃材料的吸收特性。 要求：镜头最高分辨力的光线应与照明波长、CCD 器件接收波长相匹配，并使光学镜头对该波长的光 线透过率尽可能的提高。
Camera block diagram:
1.Lens system镜头 2.Motor (control the position of Lens)控 制驱动系统 3. Sensor: CMOS or CCD type图像传感器 4. DSP: Digital Signal Processing数字信号 处理
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镜头基本结构
正透镜 透镜 负透镜 特性（色差、色散等）相反，配合使用， 矫正像差及各类失真。变焦镜头既要保 证焦距在较大范围内可调，又要保证成 像在光敏面上，因此由多组正负透镜组 成。 普通镜头都有光圈调节环，调节环转动 时带动镜头内的黑色叶片以光轴为中心 伸缩运动，为可变孔径光阑 决定成像面大小
11
Confidential
组成
调焦组：通过小范围的轴向移动，实现镜头的聚焦调整。
• 变倍组、补偿组、固定组等构成
变倍组：通过轴向移动，实现焦距连续可调。 变焦 镜头
补偿组：变倍组移动调焦时，成像面随之变化，随补偿组进行 相应的移动，使成像面保持在图像传感器的光敏面上。
后固定组：保证有一定的装座距离。
Rev PA1 6/15/2008 25
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1、 SNR& Uniformity
一、信噪比直接体现了图像传感器的噪声和 暗电流水平 。 二、反映数码相机成像系统各个光敏元之间 输出信号的差别。它是一项评价相机成像 系统的光学成像部分和图像传感器芯片上 各个光敏元响应度以及后期信号处理电路 的综合技术指标。
6
Confidential
1.镜头光圈
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F • 光圈表示：通过开口大小控制曝光量， f / D 焦距与光束直径的比值，也称为F数（光圈 系数），越小越好。例如：一只 f 50mm 的 镜头，最大光孔直径为25mm时，该镜头 的相对孔径为1：2，即 F 2 。 定焦镜头的F数已经标准化。目前常用的为： F=1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22,32等。