相机镜头原理及其选型

相机、镜头原理及其选型

1.凸透镜成像原理

成像平面

镜头焦距

图 1

注：相机镜头中的焦距为：凸透镜焦点到成像平面的距离

图 2

2. 相机原理

相机成像实际就是凸透镜成像，拍摄物体反射光经镜头（凸透镜）聚焦，在感光系统上形成倒立缩小的像，像经进一步处理得到相片或数码图像。

3. 相机相关概念

3.1. CCD （Charge-coupled Device ，电荷耦合元件）

CCD 是图像传感器，将光信号转换成电信号，再将

电信号转换成镜头部分

相机机身

数字信号，经处理后成为图像信号。

结构：

(1)、大量光敏元件排在一起组成感光元件（每个光敏元件为一个像素点）。

(2)、并行信号寄存器，用于暂时储存感光后产生的电荷。

(3)、串行信号寄存器，暂时储存并行寄存器的模拟信号并将电荷转移放大。

(4)、信号放大器，放大微弱电信号。

(5)、数摸转换器，将放大的电信号转换。

目前工业相机主要CCD尺寸

3.2.CMOS

和CCD一样，是图像传感器。区别在于：

(1)、信号的读出过程不同，CCD是通过一个或几个节点统一读出像素，CMOS通过单个像素同时读取，因此一致性CCD更好。

(2)、集成性CCD更复杂

(3)、CMOS读取速度更快。

(4)、CCD技术更成熟，噪声少，成像质量更好。

3.3.像素

相机感光元件上每个光敏元件即为一个像素点。

注：要想得到高清照片，必须保证有一定的像素数。但并非像素数越大，照片的就越清晰。照片的清晰度是由“点像"决定，即每点（寸等）有多少像素。通常相机的像素大小又被叫做相机分辨率。3.4.感光度（IOS）、增益（Gain）

(1)、感光度：为数码单反相机的参数之一，表示图像传感器或胶片对光的敏感程度，增加感光度，图像更亮，但画质变差。

(2)、增益：为工业相机参数之一，是调节感光度的一种方法。增益增加，图像更亮，但画质变差。

(3)、感光度和增益的区别为：一：适用对象不同，感光度常用于数码单反相机，而增益用于工业相机；二：提高感光度可通过多种方式获得，而提高增益恰是提高感光度的一种方式。

3.5.帧率

相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.)，对于线阵相机为每秒采集的行数(Hz)。

4.镜头相关概念

4.1.焦距

成像光线在镜头内交点到影像传感器的距离称作焦距，焦距数值小，视角大；焦距数值大，视角小。

蓝色光线所表示的焦距相对红色变大，其视角则变小。

4.2.光圈

光圈：由叶片组成的用于控制光通过量的装置。

绝对孔径：光圈的实际孔径大小。

曝光量：除去外部环境因素，曝光量与曝光度和曝光时间成正比。曝光时间由快门决定，而曝光度与光圈的绝对孔径和镜头焦距成正比。

相对孔径：为了反映曝光度，将孔径与焦距的比值定义为相对

孔径。

光圈值（f）：为焦距与绝对孔径的比值，即相对孔径的倒数。

较大的光圈（较小的f值）意味着有更多光线通过镜头，可在弱光环

境中拍摄。

4.3. 快门

通过控制曝光时间控制曝光量的装置。

快门分机械快门和电子快门。

机械快门：通过机械方式控制通光孔（快门）的开闭。

电子快门：利用了CCD 感光系统不通电不工作的原理。

4.4. 景深

(1)、 拍摄景物中能产生较为清晰影像的最近点至最远点的距离。

2222

f F L F f σσ-=

光圈值越大，景深越

小；光圈值越小、景深越

大。焦距越长，景深越小；

焦距越短，景深越大。距

离拍摄体越近时，景深越

小；

(2)、景深与光圈的关系（进一步说明景深）

注：弥散圆：物点成像时，由于像差，其成像光束不能会聚于一点，而是在像平面上形成一个扩散的圆形投影，成为弥散圆。弥散圆只要在人眼接受范围内，就算清晰的像。

由上图可知，当使用小光圈时，在更大的景深范围内依然形成满足清晰要求的弥散圆。因此，小光圈（更大f值），景深更大。

4.5.分辨率

在成像平面上1毫米间距内能清晰分辨的黑白相间的线条对数，单位是“线对/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）。

测试方法：将待测镜头装在一个胶片照相机上。去拍摄黑白条纹图（分辨率图版），然后用高倍放大镜（镜头分辨率检测仪）检测底片上每毫米范围内能清晰分辨的线条对数，能分辨得越多则分辨率越高。注：镜头分辨率和相机分辨率配合，才能排出高质量图像。

4.6.视场(Field of view, 即FOV，也叫视野范围)

指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。

4.7.工作距离(Working Distance,即WD)

指清晰成像时，从镜头前部到受检验物体的距离。

4.8.失真（distortion）

又称畸变，指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。

畸变透镜的固有特性（凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线），所以无法消除，只能改善。工业上对畸变要求高的场合可选用远心镜头。

4.9.镜头类型

标准、远心、广角、近摄、远摄。

5.工业相机及镜头选型说明

5.1.选择相机感光芯片尺寸

(1)、原则一：相机像素大小（分辨率）≧所需相机像素大小

(2)、原则二：镜头可支持的最大感光芯片尺寸≧相机芯片尺寸

(3)、原则三：静止拍照、全局曝光选CMOS；运动拍照选CCD。

5.2.选择相机与镜头接口类型