光学镜头基础知识

光学镜头基础知识研发中心光学部2011.7.11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–EFL、FNO.、BFL、FFL、光阑、FOV、相对照度、MTF等•MTF、空间频率、滤光片–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–景深概念、及如何扩大景深光学基本定律光学(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’n1sini=n2sinr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.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，DFNO=EFL(焦距)/D(光圈直径)镜头规格FNO=EFL(焦距)/D(光圈直径)DEFL镜头规格加深理解——BF、FB、MBMB---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。镜头规格加深理解——BF、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。此距离应大于FB-MB镜头规格加深理解——ResolutionResolution---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。Resolution的表达MTF空间频率与芯片配合可达到的像素数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。MTF、景深、FILTER同一频率时MTF值不同，给图像带来的差异：MTF、景深、FILTERMTF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：MTF0.3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pixelsize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、FILTERFFnF=FnF=Fn/2光信号(被摄物)Sensor接受信号中Sensor输出信号F：FrequencyFn：Nyquist’slimitfrequency分辨率过高,Sensor不能分辨，产生莫尔条纹临界点可以分辨镜头的分辨率（F）与芯片的极限分辨率（Fn）关系MTF、极限分辨率、FILTER由上页可知，当FFn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芯片的极限分辨率计算公式是2倍的pixelsize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OLPFNo.1No.2No.3SensorNo.1No.2No.3MTF、极限分辨率、FILTER知道了OLPF，再说一下IR-CUTSpectralcharacteristics(withIR)00.10.20.30.40.50.60.70.80.914004505005506006507007508008509009501000Wavelength[nm]Output（Normalization）BGBRGRSpectralcharacteristics(withIR)00.10.20.30.40.50.60.70.80.914004505005506006507007508008509009501000Wavelength[nm]Output(Normalization）BGBRGRC5000Spectralcharacteristics01020304050607080901004005006007008009001000Wavelength[nm]Transmission]T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。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。景深景深与光圈的关系景深景深与光圈的关系F2.8F8F22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。景深像面倾斜0.5°后（按1/3CCD则倾斜约0.05mm）：设计曲线景深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°）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。谢谢