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1、光学成像原理光学成像原理 光学成像原理简介 一个成像系统主要包含以下几个要素： 视场 ：能够在显示器上看到的物体上的部分 分辨率 ：能够最小分辨的物体上两点间的距离 景深：成像系统能够保持聚焦清晰的最近和最远的距离之差 工作距离：观察物体时，镜头最后一面透镜顶点到被观察物体的距离 畸变 ：由镜头所引起的光学误差，使得像面上各点的放大倍数不同，导致变形 视差 ：是由传统镜头引起的，在最佳聚焦点外物体上各点的变化，远心镜头可以解决 此难题。 图像传感器尺寸 ：图像传感器有效的工作区域，一般指 的是水平尺寸。对所希望的视场来说，这个参数对决定预先放大倍数是 很重要的。多数图像传感器的长度与宽度之比是
2、 4:3 ，如下图所示。 预放大倍数 ：是指视场与图像传感器尺寸的比值，这个过程是由镜头来完成的 系统放大倍数 ：是指显示器上的图像与实际物体大小的比值，也就是整个系统的放大 倍数。它也可以写成预放大倍数与电子放大倍数的乘积，而电子放大倍数则是显示器 尺寸与图像传感器尺寸的比值。 分辨率 ：分辨率的大小表征了对物体上细节的辨别能力，下图简单的说明了物体上的 两个方块区域成像到 CMOS/CCD相机上。可以看出，因为图像传感器上像素间的距 离已经确定，如果想要区分物体上很近的两点，它们之间必须隔开一定的距离。 与分辨率相关的术语有以下几个： 每毫米对线 ：如上图所示，一对线是指一个红色的区域和一
3、个空白的区 域。分辨率就是用每毫米上对线的数量来表示，因此分辨率常常被看作是空间频率。 这个频率的倒数是指最小可分辨的物体上两点间的距离，用毫米来表示。这个参数可 以用来表征镜头或者相机的分辨率。 像素数 ：数码相机的分辨率也可以用图像传感器的像素数来表示。如图所示，一对线 与两个像素相对应，换句话说，如果要使两个红色区域分开，就必须一个像素贡献于 红色区域，一个像素贡献于红色区域间的空白。 TV 线： 在模拟制式 CCD 相机中，用成像后可分辨的黑白线的数目来表示。这个值 是没有单位的，不能够与每毫米对线相混淆。 C/CS 接口： 这是工业界 CCD 和 CMOS 相机普遍使用的螺纹标准，螺
4、纹规格是 32 TPI ，即每英寸32线。如下图所示，对C接口，从后凸沿到像平面的距离是 17.526mm；而对 CS 接口，从后凸沿到像平面的距离是 12.5mm 。 一个 C 接口的镜头可以通过一个 5mm 的接圈接到 CS 接口的相机上。 光学镜头相关知识 焦点与焦距： 焦点是指一簇平行于光轴的平行光经过透镜以后，汇聚成的一点。而焦 距则是镜头的主平面到焦点之间的距离，由于镜头一般有数片凸透镜和凹透镜组成， 所以无法直接判别主平面的位置但通过严格的计算可以得出。要注意后焦面与焦平面 的区别，后焦面是指镜头的最后一片透镜到成像面的距离，如下图所示： 光圈系数： 光圈是用来控制镜头进光量的大小，在光学上称作孔径光阑。 对于不同的镜头而言，光阑的位置不同，焦距不同，入射瞳直径也不相同，用孔径 来描述镜头的通光能力，无法实现不同镜头的比较。所以一般采用相对孔径的方法 来表示，即相对孔径= 镜头焦距 / 入射瞳直径 = f/d 在成像系统中，对光圈 的调节是很重要的，它可以控制进光量，调节曝光；同时，减小光圈能够提高系统 的景深，并提高成像的质量。
