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光学镜头基础知识 研发中心 1 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MTFMTF 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 2 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 3 镜头规格 先一起看看下面这个镜头的规格表 4 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2 2 arctan Y f 5 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 6 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 D FNO EFL 焦距 D 光圈直径 7 镜头规格 FNO EFL 焦距 D 光圈直径 D EFL 8 镜头规格 加深理解 BF FB MB MB 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 9 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 10 镜头规格 加深理解 Resolution Resolution 分辨率 对于镜头分辨率规格的标注 常用 一定空间频率下的MTF 最大值为1 最小为0 MTF 0 2时的空间频率 lp mm 可达到的最大解析度三种表示方法 11 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 6mm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 12 MTF 景深 FILTER 同一频率时MTF值不同 给图像带来的差异 13 MTF 景深 FILTER MTF值相同 形状不同带来的图像差异 14 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 MTF 0 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 15 MTF 极限分辨率 FILTER F Fn F Fn F 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 16 MTF 极限分辨率 FILTER 由上页可知 当F Fn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 5 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 5 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 17 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 5 和2 5 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 18 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 OLPF 19 MTF 极限分辨率 FILTER 知道了OLPF 再说一下IR CUT 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 20 景深 21 景深 景深与对焦距离的关系 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 L1 前景深 L2 后景深 L 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 F L 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 22 景深 景深与光圈的关系 23 景深 景深与光圈的关系 F2 8 F8 F22 24 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 25 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 26 景深 像面倾斜0 5 后 按1 3 CCD则倾斜约0 05mm 设计曲线 27 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 28 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