工业用光学镜头详解

光学变焦是数码相机镜头的一个极为重要的参数，它和数码变焦存在着本质上的区别。两者的区别不但体现出它们的工作原理上，在最终的成像效果上，两者也会有明显的差别。单单从成像质量来说，光学变焦比数码变焦优秀很多。但是数码变焦由于成本低廉，也广泛配备在消费级数码相机中。而且，随着图象处理技术的提高，数码变焦的效果也有所改善，例如索尼SmartZoom数码变焦技术，就是一个较为实用的数码变焦技术。光学变焦与数码变焦的各自原理光学变焦要了解光学变焦的原理，首先我们来看看镜头成像的过程。在我们的初中物理课上，老师都会给我们做放大镜成像的试验，燃烧的蜡烛通过放大镜会在白板上清晰地投影出来，同时随着放大镜的前后移动，燃烧的蜡烛在白板上影像的大小会发生变化。这既是相机成像的原理，也是光学变焦的原理所在。相机的光学变焦就是通过改变镜头中焦点的位置，来改变进入镜头光线的角度，从而使同一距离的被摄物体在感光元件上变得更大，或者让更远的物体能够更清晰得聚焦在感光元件上。光学变焦就是通过移动镜头内部镜片来改变焦点的位置，改变镜头焦距的长短，并改变镜头的视角大小，从而实现影像的放大与缩小。上图中，红色三角形较长的直角边就是相机的焦距。当改变焦点的位置时，焦距也会发生变化。例如将焦点向成像面反方向移动，则焦距会变长，图中的视角也会变小。这样，视角范围内的景物在成像面上会变得更大。这就是光学变焦的原理。我们平时接触的数码相机光学变焦的焦距，它实际上就是上图中焦距的长度。例如佳能A95的3倍光学变焦镜头，它的焦距为7.8-23.4mm，指的就是焦距长度能够变化的范围，实际上也就是被摄物体能够放大的范围。而等效焦长是将上述焦距换算为传统35mm相机的焦距，从而变得更加直观，这个问题就不在我们的讨论范围了。数码变焦数码变焦在原理上理解起来就比较复杂一些。就现在的主流技术来看，数码变焦是利用影像处理器将感光元件中某一区域的感光单元所获得的图象信息进行单独的放大。但是，这种单纯的放大事实上和图象处理软件中的局部放大是完全一样的，完全没有任何使用价值。现在，许多厂商的数码相机内部已经含有图象演算软件，它可以在图象放大，细节损失的同时，将每个像素周边的像素特点进行分析，并用分析所得的数据在该像素周边增加像素，实际上就是所谓的“插补”成像。这在一定程度上可以减轻局部放大对图象质量的影像，但事实上，这种减轻往往是非常有限的。我们将数码相机的成像结构进行简化可以获得上图。在数码变焦时，被摄物体通过镜头在感光元件上的投影成像的大小并没有改变。只是，相机内部软件通过对感光元件中央部分的像素进行截取，并且使用内置软件进行放大以及插补，从而达到将影像放大的效果。这样的过程就是我们在数码相机中常看到的数码变焦。光学变焦和数码变焦的优势和缺陷光学变焦正如上面的分析，光学变焦是利用镜头内透镜的移动来改变焦距，从而实现影像的放大与缩小。这种图象的放大是通过物理学原理，在放大过程中，感光元件从被摄体中直接感光并形成影像，而没有经过其他任何的电子放大处理。并且在这个过程中，感光元件都是全幅面成像，图象能够保持原有的最高分辨率。因此，通过光学变焦所获得的影像不但使被摄物体变大了，同时也相对更加清晰。这是光学变焦的主要优势。另外，通过光学变焦，我们还可以获得景深更加小的图片。在拍摄人像等题材时，我们往往使用中长焦段，这样除了能够将人物“拉近”、“放大”，变得更加清晰以外，同时背景还可以获得更好的虚化，从而突出主体人物。但是，光学变焦也有自己的劣势。一方面，光学变焦镜头相比非光学变焦镜头来说，制造成本要高很多。另外，光学变焦镜头在进行长焦拍摄时，由于身体或者手部震动而对画面的影响就将会更加大，因此长焦拍摄时画面模糊的几率往往更加大。但事实上，光学变焦由于其优势明显，现在已经广泛应用在消费级数码相机中了。数码变焦数码变焦是通过软件运算来实现影像的局部放大，因此我们可以看到它几乎不会增加任何硬件设施，只需要在硬件中固化软件就可以了。数码变焦的这种特征使得它极少甚至无需增加相机制造的成本。因此，配备数码变焦并不会对数码相机的售价产生影响。在某些无法进行光学变焦的数码相机中，通过配备数码变焦可以在不增加售价时具有更大的实用性。而且，数码变焦实际使用时，并不会存在光学变焦在高倍率变焦时抖动加剧的问题。另外，数码变焦比光学变焦更加省电。还有一个鲜为人知的事实是，经过数码变焦以后，图象的分辨率虽然和数码变焦前一样，但是它单张画面的体积大大缩小。这事实上也可以减少存储卡的负担。当然，数码变焦的负面问题是非常明显，也是非常致命的。它是通过后期的放大来实现影像的放大，虽然某些厂商的数码变焦技术会通过独特的插补运算来提高变焦后的图象质量，但是最后的图象效果仍然是模糊不清，特别是高倍率数码变焦时，效果将会更加惨不忍睹（如上图）。光学变焦和数码变焦的具体应用光学变焦既然光学变焦的优势如此明显，它在数码相机中的应用当然也就非常普及了。事实上，现在市面上的消费级数码相机中，百分之九十五以上的机型都配备了光学变焦。而且随着技术的发展以及镜头制作成本的降低，10倍、12倍甚至15倍光学变焦的消费级数码相机已经出现在市场上了。但是，一般来说，光学变焦倍率越大，价格往往就越高。而且，对于长焦镜头来说，焦距越大，镜头的成像质量往往就会有所降低。镜头焦距越长，景物的成像也越大，同时背景也能够得到很好的虚化事实上，为了兼顾实用、成本以及成像质量等多方面的因素，厂商在家用数码相机市场上主推的仍然是3倍光学变焦镜头。这一类镜头的焦距往往囊括了广角风景到中焦人像的种种拍摄题材，对于家庭用户来说是比较适合的选择。数码变焦在消费级数码相机中，数码变焦的应用比光学变焦更加广泛。它无需增加硬件，应用成本低廉，事实上现在几乎所有的消费级数码相机都配备了数码变焦功能。而数码变焦在定焦镜头中的应用不但可以祢补无法直接进行影像放大的缺陷，同时也不会增加相机的制作成本。因此数码变焦技术在定焦距镜头中往往就显得比较重要了。在具体的数码变焦技术上，各个厂家可谓各施各法，各显神通。例如索尼的SmartZoom智能数码变焦，笔者觉得索尼在宣传时做得太过了。事实上它就是在菜单中调节相片所需的分辨率，只是转换一种操作方式，实际用处和其他的数码变焦相差不大。相反，佳能在数码变焦技术上的开发算是比较好的。佳能的时尚机型IXUSi主要靠轻薄为卖点，因此取消了光学变焦。虽然它采用定焦镜头，但是同时配备了5.7倍的数码变焦。它的实际效果我们可以通过下面的图片来观察：从上面的图片中我们可以看到，事实上数码变焦在定焦镜头中的应用还是非常必要的。另外，从最后两张图片的对比来看，我们可以明显注意到：在数码变焦和图象处理软件的局部放大之间，质量差别确实非常明显的，数码变焦的图象质量要好很多。也就是说，数码变焦还是具有一定的实用性的。此外，佳能在IXUS700等机型上还配备了数码微距的功能，事实上就是在微距模式下实现数码变焦。只是IXUS700在此模式下，镜头焦距固定在广角端37mm，无法进行光学变焦。实际拍摄效果上，和上述的结果一样，它的效果要比图象软件局部放大要好很多。但是，就平时观赏来说，建议用户还是不要使用高倍率的数码变焦。总结：光学变焦和数码变焦的选择就现在的消费级数码相机市场来说，绝大部分数码相机已经配备了可以进行光学变焦的镜头。联系上述关于光学变焦的优势，我们无疑看到它在成像质量的提高上具有极大的作用。而且我们也可以看到，长焦数码相机市场现在也逐渐火热起来，12倍甚至15倍光学变焦的机型也在市场上流行起来。对于数码相机选购资金预算在1500元以上的消费者来说，选购一款具有光学变焦的数码相机是一个比较好的选择。在市场上，现今仍然有少量机型并没有配备光学变焦镜头，用户仅能够通过数码变焦来实现图象的放大，但是这样的结果是拍摄的影像质量大大下降。例如现在市面上的佳能IXUSi以及IXUSi5，前者的售价为1900元，后者的售价为2700元，两者的设计虽然极为轻巧时尚，但售价同比相当昂贵，消费者选购时需要慎重考虑。而低端的柯达CX7300以及三星301在价格上比较低，仅为900元左右，两者都配备了3倍数码变焦以及300万像素CCD。价格上具有极大吸引力，同时外观时尚轻巧，做工也比较精致，对于不在意光学变焦的年轻时尚一族来说，这两款机型也是非常经济的选择。机器视觉中使用镜头的计算方式1、WD物距工作距离（WorkDistance，WD）。2、FOV视场视野（FieldofView，FOV）3、DOV景深（DepthofField）。4、Ho：视野的高度5、Hi：摄像机有效成像面的高度（Hi来代表传感器像面的大小）6、PMAG：镜头的放大倍数7、f：镜头的焦距8、LE：镜头像平面的扩充距离相机和镜头选择技巧1、相机的主要参数：感光面积SS（SensorSize）2、镜头的主要参数：焦距FL（FocalLength）最小物距Dmin（minimumFocalDistance）3、其他参数：视野FOV（FieldofView）像素pixelFOVmin=SS（Dmin/FL）如：SS=6.4mm，Dmin=8in，FL=12mmpixel=640*480则：FOVmin=6.4（8/12）=4.23mm4.23/640=0.007mm如果精度要求为0.01mm，1pixels=0.007mm0.01mm结论：可以达到设想的精度光学镜头的放大率放大率光学放大率影像大小相对于物体的放大率β=y’/y=b/a=NA/NA’=CCD相机元素尺寸/视场实际尺寸电子放大率电子放大率是用相机拍照成像在CCD上的像呈现在显示器的放大倍数显示器放大率显示器放大率是被拍物体通过镜头成像显示在显示器上的放大倍数显示器放大率＝（光学放大率）×（电子放大率）例子：光学放大率＝0.2X,CCD大小1/2（对角线长8mm）,显示器14〃电子放大率＝14×25.4/8＝44.45（倍）显示器放大率＝0.2×44.45＝8.89（倍）（1寸＝25.4mm）视场视场是镜头与CCD相机连接时物体可被看见的范围大小视场的大小是：（CCD格式大小）/（光学放大率）例子：光学放大率＝0.2X，CCD1/2〃（4.8mm长，6.4mm宽）视场大小：长＝4.8/0.2＝24（mm）宽＝6.4/0.2＝32（mm）工业镜头的基本参数工业镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像；就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的。当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物就变得模糊不清；摄像头与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像头的后焦点，改变CCD芯片与工业镜头基准面的距离(相当于调整人眼晶状体的位置)，可以将模糊的图像变得清晰。由此可见，镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道：设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距，施工人员经常进行现场调试，其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。一．工业镜头的安装尺寸，接口所有的摄象机镜头均是螺纹口的，CCD摄象机的镜头安装有两种工业标准，即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。C安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是17．526mm。CS安装座：特种C安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是12．5mm。如果要将一个C安装座镜头安装到一个CS安装座摄象机上时，则需要加装一个5mm厚的接圈。二．镜头的尺寸以摄象机镜头尺寸分镜头可以分为1英寸、2／3英寸、1／2英寸、1／3英寸、1／4英寸、1／5英寸等规格，下面是一个简单的芯片尺寸规格表：格式1英寸2/3英寸1/2英寸1/3英寸1/4英寸高度9.6mm6.6mm4.8mm3.6mm2.