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光學鏡頭基礎知識 研發(fā)中心 1 綱要 光學基本定律光學三大定律 折射 反射 直線傳播光學鏡頭基本EFL FNO BFL FFL 光闌 FOV 相對照度 MTF等MTF 空間頻率 濾光片認識MTF曲線 離焦曲線 理解空間頻率從拍攝效果理解MTFMTF 空間頻率 TV分辨率三者關系景深景深概念 及如何擴大景深 2 光學基本定律 光學 optics 是研究光 電磁波 的行為和性質 以及光和物質相互作用的物理學科 3 鏡頭規(guī)格 先一起看看下面這個鏡頭的規(guī)格表 4 鏡頭規(guī)格 加深理解 EFL與FOV 視場角 若Y 為sensor的半對角線長度 則視場角2 2 arctan Y f 5 鏡頭規(guī)格 加深理解 EFL與FOV 焦距越短 視場角越大 放大倍率越小 監(jiān)控范圍越大 監(jiān)控畫面中的人越小 反之視場角越小 放大倍率越大 監(jiān)控畫面中人越大 6 鏡頭規(guī)格 加深理解 FNO 對于定焦鏡頭 光圈直徑 越大 通光量就越大 在一般環(huán)境下由于sensor會自動調整曝光值 此時就比較不出FNO數值不同的鏡頭的好壞 但在低照度環(huán)境下 sensor曝光已經到極限 因此FNO小的鏡頭會在亮度表現上會有比較佳的表現 來說 焦距一定 FNO越小 D FNO EFL 焦距 D 光圈直徑 7 鏡頭規(guī)格 FNO EFL 焦距 D 光圈直徑 D EFL 8 鏡頭規(guī)格 加深理解 BF FB MB MB 機械后焦 指鏡頭最后的機械面到像面的距離 對于CS接口鏡頭 此值偏小 有可能造成無法對焦問題 BF 光學后焦 指鏡頭最后一片鏡片最后一面中心點到像面的距離 一般通過測量BF來間接計算MB和FB值 FB 法蘭后焦 鏡頭法蘭面到像面的距離 9 鏡頭規(guī)格 加深理解 BF FB MB 以上兩款鏡頭的MB值分別為7 81和6 97 這就要求相機定位面到sensor的距離不能大于6 97 否則出現無法聚焦清楚的情況 此距離應大于FB MB 10 鏡頭規(guī)格 加深理解 Resolution Resolution 分辨率 對于鏡頭分辨率規(guī)格的標注 常用 一定空間頻率下的MTF 最大值為1 最小為0 MTF 0 2時的空間頻率 lp mm 可達到的最大解析度三種表示方法 11 MTF 景深 FILTER 上圖是一條MTF曲線 里面包含的信息有 MTF 空間頻率和像高 MTF可以近似理解為黑白線條的對比度 最大值為1 空間頻率的單位是lp mm 200lp mm表示1毫米距離內的黑白線對數 不同顏色的曲線表示不同的像高 T和S分別表示法線和切線方面的MTF 補充說明 像面大小一般分兩種表示方法 一種是像面大小 用直徑表示 一種是像高 用距離表示 比如像面 6mm對應的像高是3mm 從此副MTF曲線圖可以看出 這款鏡頭的可以匹配1 3 的sensor 12 MTF 景深 FILTER 同一頻率時MTF值不同 給圖像帶來的差異 13 MTF 景深 FILTER MTF值相同 形狀不同帶來的圖像差異 14 MTF 景深 FILTER 上圖是一條離焦曲線 里面包含的信息有 MTF 焦深 空間頻率和像高 一般鏡頭的焦深范圍標準是 MTF 0 3焦深 0 02mm 空間頻率為1 4的芯片極限分辨率 芯片的極限分辨率 2倍的pixelsize分之一 單位為lp mm焦深越大 鏡頭聚焦越容易 15 MTF 極限分辨率 FILTER F Fn F Fn F Fn 2 光信號 被攝物 Sensor接受信號中 Sensor輸出信號 F FrequencyFn Nyquist slimitfrequency 分辨率過高 Sensor不能分辨 產生莫爾條紋 臨界點 可以分辨 鏡頭的分辨率 F 與芯片的極限分辨率 Fn 關系 16 MTF 極限分辨率 FILTER 由上頁可知 當F Fn時 Sensor輸出的信號就會有雜訊產生 通常雜訊的表現為莫爾條紋 2 8mm定焦鏡頭配6 5 的CCD 由于鏡頭的分辨率遠遠高于芯片的極限分辨率 所以產生明顯的莫爾條紋 百萬像素鏡頭配合2 5 的CMOS 鏡頭的分辨率沒有高于芯片的極限分辨率 所以沒有莫爾條紋產生 17 MTF 極限分辨率 FILTER 芯片的極限分辨率計算公式是2倍的pixelsize分之一 再乘以1000 6 5 和2 5 對應的極限分辨率分別是77lp mm和200lp mm 說明M12定焦鏡頭的分辨率遠遠高于77lp mm 百萬像素鏡頭的分辨率未大于200lp mm 18 MTF 極限分辨率 FILTER 如何消除莫爾條紋 低通濾波器 OLPF 無OLPF的光學系統 有OLPF的光學系統 OLPF 19 MTF 極限分辨率 FILTER 知道了OLPF 再說一下IR CUT 注意區(qū)分兩個頻率 電磁波的頻率 在可見光范圍內 通常用波長間接表達 單位為nm 空間頻率 和分辨率有關 單位是lp mm 對于紅外波段 650nm 以上 不能被人眼識別 但芯片可以感應 這樣拍攝出來的畫面就會泛紅 與人眼觀測到的景物在顏色上存在嚴重差異 所以需要增加IR CUT 濾掉紅外波段的光線 20 景深 21 景深 景深與對焦距離的關系 前景深 L1 F L2 f2 F L 后景深 L2 F L2 f2 F L 景深 L 2f2F L2 f4 F2 2L2 容許彌散圓直徑f 鏡頭焦距F 鏡頭的拍攝光圈值L 對焦距離 L1 前景深 L2 后景深 L 景深 從公式可以看出 后景深 前景深 由景深計算公式可以看出 景深與鏡頭使用光圈 鏡頭焦距 拍攝距離以及對像質的要求 表現為對容許彌散圓的大小 有關 超焦深的計算 f2 F L 0時 后景深為無窮遠 在聚焦時 最好能將焦點聚在能產生超焦深的焦點處 從前焦深處開始聚焦 這樣 畫面處所有的畫面都能清晰聚焦 22 景深 景深與光圈的關系 23 景深 景深與光圈的關系 F2 8 F8 F22 24 景深 景深與對焦距離的關系 對焦物距1 對焦物距2 超焦距 25 景深 影響景深大小的因素 光圈焦距對焦距離這是從公式中得到的 除了以上三個光學參數外 鏡頭自身的分辨率及CCD的傾斜都會對景深造成很大的影響 26 景深 像面傾斜0 5 后 按1 3 CCD則傾斜約0 05mm 設計曲線 27 景深 CCD感光面相對于鏡頭成像面傾斜的誤差來源 CCD定位誤差CCD貼片傾斜導熱鋁塊平行度主板定位誤差主板平行度相機前蓋與主板的定位面平行度螺釘擰入的松緊程度造成主板的傾斜鏡頭定位誤差相機接口螺紋同軸度鏡頭接口螺紋同軸度以上8項誤差累計 造成CCD相對于鏡頭像面傾斜幾度呢 對于1 3 CCD單邊翹起0 05mm 即為5 28 景深 MTF曲線的形狀 再加上圖像處理 可以得到較寬的景深 這種技術叫EDOF 其原