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1、光学镜头基础知识,研发中心,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MTF MTF、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,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。,镜头规格,先一起看看下面这个镜头的规格表,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),镜头规格,加深理解
2、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,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),镜头规格,FNO=EFL(焦距)/D(光圈直径),D,EFL,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
3、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。,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,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
4、的最大解析度三种表示方法。,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。,MTF、景深、FILTER,同一频率时MTF值不同，给图像带来的差异：,MTF、景深
5、、FILTER,MTF值相同，形状不同带来的图像差异：,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：MTF0.3 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pixel size分之一，单位为lp/mm 焦深越大，镜头聚焦越容易。,MTF、极限分辨率、FILTER,FFn,F=Fn,F=Fn/2,光信号(被摄物),Sensor接受信号中,Sensor输出信号,F：Frequency Fn： Nyquists limit frequency,分辨率过高,Sensor不能分辨，产生莫尔
6、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,MTF、极限分辨率、FILTER,由上页可知，当FFn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。,MTF、极限分辨率、FILTER,芯片的极限分辨率计算公式是2倍的pixel size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
7、率远远高于77lp/mm，百万像素镜头的分辨率未大于200lp/mm。,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,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。,景深,景深,景深与
8、对焦距离的关系,前景深 L1= FL2/ （f2 + FL） 后景深 L2= FL2/ （f2 - FL） 景深 L =2f2FL2/（ f4 - F22L2） 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 FL0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。,景深,景深与光圈的关系,景深,景深与光圈的关
9、系,F2.8,F8,F22,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,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。,景深,像面倾斜0.5后 （按1/3“ CCD 则倾斜约0.05mm）：,设计曲线,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）,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。 其原理是首先镜头设计上首先要保证高频的MTF，画面的均匀性（从中心到边缘衰减比较缓慢），这样的镜头在普通的相机上的效果会较一般镜头锐利度差一些，但细节的分辨能力没有降低，他牺牲了低频的MTF，但换来了更大的焦深，对应的景深会更大一些。这时，再加上适当的图像处理，可以得到较大的景深。,谢谢,
