光學(xué)成像原理簡介

一個成像系統(tǒng)主要包含以下幾個要素：

·視場：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的距離之差

·工作距離：觀察物體時，鏡頭最后一面透鏡頂點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，在最佳聚焦點外物體上各點的變化，遠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。對所希望的視場來說，這個參數(shù)對決定預(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)：是指視場與圖像傳感器尺寸的比值，這個過程是由鏡頭來完成的

·系統(tǒng)放大倍數(shù)：是指顯示器上的圖像與實際物體大小的比值，也就是整個系統(tǒng)的放大倍數(shù)。它也可以寫成預(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物體上細節(jié)的辨別能力，下圖簡單的說明了物體上的兩個方塊區(qū)域成像到cmos／ccd相機上。可以看出，因為圖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，它們之間必須隔開一定的距離。

與分辨率相關(guān)的術(shù)語有以下幾個：

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

·像素數(shù)：數(shù)碼相機的分辨率也可以用圖像傳感器的像素數(shù)來表示。如圖所示，一對線與兩個像素相對應(yīng)，換句話說，如果要使兩個紅色區(qū)域分開，就必須一個像素貢獻于紅色區(qū)域，一個像素貢獻于紅色區(qū)域間的空白。

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

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

一個c接口的鏡頭可以通過一個5mm的接圈接到cs接口的相機上。

光學(xué)鏡頭相關(guān)知識

·焦點與焦距：焦點是指一簇平行于光軸的平行光經(jīng)過透鏡以后，匯聚成的一點。而焦距則是鏡頭的主平面到焦點之間的距離，由于鏡頭一般有數(shù)片凸透鏡和凹透鏡組成，所以無法直接判別主平面的位置但通過嚴格的計算可以得出。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)：光圈是用來控制鏡頭進光量的大小，在光學(xué)上稱作孔徑光闌。對于不同的鏡頭而言，光闌的位置不同，焦距不同，入射瞳直徑也不相同，用孔徑來描述鏡頭的通光能力，無法實現(xiàn)不同鏡頭的比較。所以一般采用相對孔徑的方法來表示，即相對孔徑＝［鏡頭焦距］／［入射瞳直徑］＝f／d在成像系統(tǒng)中，對光圈的調(diào)節(jié)是很重要的，它可以控制進光量，調(diào)節(jié)曝光；同時，減小光圈能夠提高系統(tǒng)的景深，并提高成像的質(zhì)量。