镜头的成像原理

镜头的组成

光圈/相对孔径

光圈：控制镜头入光量的光学装置。

光圈是一个用来控制光线透过镜头，进入相机芯片的光量的装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用f值。对于已经制造好的镜头，我们不可能随意改变镜头的直径，但是我们可以通过在镜头内部加入多边形或者圆型，并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量，这个装置就叫做光圈。

这里值得一提的是光圈数f#，它表示镜头焦距与整个镜头有效通光孔径的比值，为了便于表示，镜头上一般会省略小数点，标出这个数值的十倍，光圈数越小，通光孔径就越大（如右图所示），在同一单位时间内的进光量便越多，而且上一级的进光面积刚好是下一级的两倍，例如光圈从f/8调整到f/5.6 ，进光面积便多一倍，我们也说光圈开大了一级。

光圈大小对图片亮度的影响：

在其他条件不变的情况下，光圈越大，进光量越多，图像比较亮；光圈越小，进光量越少，图像比较暗。

聚焦环

聚焦是成像的必要条件！

聚焦环不同状态下的成像效果:

对系统的影响:

图像不清晰，难以呈现很好的图像效果，降低系统精度，直接影响到机器视觉系统的整体性能，增加图像处理难度。

镜头的主要参数及相关特性

焦 距

镜头焦距是指镜头光学后主点到焦点的距离，是镜头的重要性能指标。镜头焦距的长短决定着拍摄的工作距离、成像大小、视场角大小及景深大小。一般常用的镜头的焦距为4mm、6mm、8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm。

光圈/相对孔径

相对孔径是指镜头入瞳直径与焦距的比值；而光圈是相对孔径的倒数。通过调节镜头的光圈大小，可以控制镜头的入光量，图像的亮度也随之而变化。

视场/视场角

视场是指镜头能观测到的实际范围的物理尺寸，如图。在一般应用中，镜头的视场大小和相机的分辨率，决定了视觉系统所能达到的视觉检测精度。

工作距离

目标和镜头之间的距离叫做镜头的工作距离。实际使用时要注意的是，一个镜头不能对任意物距下的目标都清晰成像，所以镜头的工作距离是个有限的范围。

最大兼容CCD尺寸

所有镜头都只能在一定的范围内清晰成像，最大兼容CCD尺寸指镜头能支持的最大清晰成像的范围。在实际选择相机和镜头时，要注意所选择的镜头的最大兼容CCD尺寸要大于或等于所选择的相机芯片的尺寸。

镜头最大兼容CCD尺寸≥相机芯片尺寸

镜头最大兼容CCD尺寸＜相机芯片尺寸

以下为常用镜头及CCD芯片的兼容性说明

景 深

一个镜头，在垂直方向上，能清晰成像的空间距离，称为景深。一般来说，镜头的焦距越短，景深越大；焦距越长，景深越小。对同个镜头，光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。

畸 变

镜头在成像时，特别是用短焦距镜头拍摄大视场，图像会产生形变，这种情况叫做镜头的畸变，这是由于镜头的光学结构和成像特性使然。拍摄的视场越大，所用镜头的焦距越短，畸变的程度越明显。

光学接口

相机和镜头的连接方式即为镜头的光学接口，业内对于光学接口已经形成了标准的规范。例如C口、CS口、F口和K口。其中CS口可以转换成C口，但是C口不可以转换成CS口。在工业应用中，一般C口和CS口用在面阵相机上，F口用在线阵相机上。

镜头分辨率

镜头分辨率为两点间在无法识别前，能靠近的最近距离测量值，是衡量镜头将非常靠近的点、线及物体表面作为单独图元进行成像的能力。