光學(xué)成像原理簡(jiǎn)介

一個(gè)成像系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)要素：

·視場(chǎng)：能夠在顯示器上看到的物體上的部分

·分辨率：能夠最小分辨的物體上兩點(diǎn)間的距離

·景深：成像系統(tǒng)能夠保持聚焦清晰的最近和最遠(yuǎn)的距離之差

·工作距離：觀察物體時(shí)，鏡頭最后一面透鏡頂點(diǎn)到被觀察物體的距離

·畸變：由鏡頭所引起的光學(xué)誤差，使得像面上各點(diǎn)的放大倍數(shù)不同，導(dǎo)致變形

·視差：是由傳統(tǒng)鏡頭引起的，在最佳聚焦點(diǎn)外物體上各點(diǎn)的變化，遠(yuǎn)心鏡頭可以解決此題。

·圖像傳感器尺寸：圖像傳感器（一般是ccd或cmos）有效的工作區(qū)域，一般指的是水平尺寸。對(duì)所希望的視場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)參數(shù)對(duì)決定預(yù)先放大倍數(shù)（pmag）是很重要的。多數(shù)圖像傳感器的長(zhǎng)度與寬度之比是4：3，如下圖所示。

·預(yù)放大倍數(shù)：是指視場(chǎng)與圖像傳感器尺寸的比值，這個(gè)過(guò)程是由鏡頭來(lái)完成的

·系統(tǒng)放大倍數(shù)：是指顯示器上的圖像與實(shí)際物體大小的比值，也就是整個(gè)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。它也可以寫(xiě)成預(yù)放大倍數(shù)與電子放大倍數(shù)的乘積，而電子放大倍數(shù)則是顯示器尺寸與圖像傳感器尺寸的比值。

·分辨率：分辨率的大小表征了對(duì)物體上細(xì)節(jié)的辨別能力，下圖簡(jiǎn)單的說(shuō)明了物體上的兩個(gè)方塊區(qū)域成像到cmos／ccd相機(jī)上。可以看出，因?yàn)閳D像傳感器上像素間的距離已經(jīng)確定，如果想要區(qū)分物體上很近的兩點(diǎn)，它們之間必須隔開(kāi)一定的距離。

與分辨率相關(guān)的術(shù)語(yǔ)有以下幾個(gè)：

·每毫米對(duì)線（lp／mm）：如上圖所示，一對(duì)線是指一個(gè)紅色的區(qū)域和一個(gè)空白的區(qū)域。分辨率就是用每毫米上對(duì)線的數(shù)量來(lái)表示，因此分辨率常常被看作是空間頻率。這個(gè)頻率的倒數(shù)是指最小可分辨的物體上兩點(diǎn)間的距離，用毫米來(lái)表示。這個(gè)參數(shù)可以用來(lái)表征鏡頭或者相機(jī)的分辨率。

·像素?cái)?shù)：數(shù)碼相機(jī)的分辨率也可以用圖像傳感器的像素?cái)?shù)來(lái)表示。如圖所示，一對(duì)線與兩個(gè)像素相對(duì)應(yīng)，換句話說(shuō)，如果要使兩個(gè)紅色區(qū)域分開(kāi)，就必須一個(gè)像素貢獻(xiàn)于紅色區(qū)域，一個(gè)像素貢獻(xiàn)于紅色區(qū)域間的空白。

·tv線：在模擬制式ccd相機(jī)中，用成像后可分辨的黑白線的數(shù)目來(lái)表示。這個(gè)值是沒(méi)有單位的，不能夠與每毫米對(duì)線相混淆。

·c／cs接口：這是工業(yè)界ccd和cmos相機(jī)普遍使用的螺紋標(biāo)準(zhǔn)，螺紋規(guī)格是32tpi，即每英寸32線。如下圖所示，對(duì)c接口，從后凸沿到像平面的距離是17.526mm；而對(duì)cs接口，從后凸沿到像平面的距離是12.5mm。

一個(gè)c接口的鏡頭可以通過(guò)一個(gè)5mm的接圈接到cs接口的相機(jī)上。

光學(xué)鏡頭相關(guān)知識(shí)

·焦點(diǎn)與焦距：焦點(diǎn)是指一簇平行于光軸的平行光經(jīng)過(guò)透鏡以后，匯聚成的一點(diǎn)。而焦距則是鏡頭的主平面到焦點(diǎn)之間的距離，由于鏡頭一般有數(shù)片凸透鏡和凹透鏡組成，所以無(wú)法直接判別主平面的位置但通過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算可以得出。要注意后焦面與焦平面的區(qū)別，后焦面是指鏡頭的最后一片透鏡到成像面的距離。

·光圈系數(shù)：光圈是用來(lái)控制鏡頭進(jìn)光量的大小，在光學(xué)上稱(chēng)作孔徑光闌。對(duì)于不同的鏡頭而言，光闌的位置不同，焦距不同，入射瞳直徑也不相同，用孔徑來(lái)描述鏡頭的通光能力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同鏡頭的比較。所以一般采用相對(duì)孔徑的方法來(lái)表示，即相對(duì)孔徑＝［鏡頭焦距］／［入射瞳直徑］＝f／d在成像系統(tǒng)中，對(duì)光圈的調(diào)節(jié)是很重要的，它可以控制進(jìn)光量，調(diào)節(jié)曝光；同時(shí)，減小光圈能夠提高系統(tǒng)的景深，并提高成像的質(zhì)量。