光学成像的原理

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题。

·图像传感器尺寸：图像传感器（一般是ccd或cmos）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（pmag）是很重要的。多数图像传感器的长度与宽度之比是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（lp／mm）：如上图所示，一对线是指一个红色的区域和一个空白的区域。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，螺纹规格是32tpi，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。

·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。