長(zhǎng)焦鏡頭介紹：
一般是指焦距比較長(zhǎng)，視場(chǎng)角較小的定焦鏡頭。在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，用戶需要觀測(cè)較遠(yuǎn)的物體，在物體大小一致的情況下，往往需要用到小視場(chǎng)角的鏡頭。 需要指出是，是一個(gè)相對(duì)的概念。在工業(yè)鏡頭領(lǐng)域，普通定焦鏡基本都8-75mm，焦距大于75mm的，可以稱為長(zhǎng)焦 鏡頭。
長(zhǎng)焦鏡頭產(chǎn)品特點(diǎn)：
1. 長(zhǎng)焦距設(shè)計(jì)，利于觀測(cè)遠(yuǎn)距離的物體；
2. 固定光圈，抗震結(jié)構(gòu)，具備較佳的穩(wěn)定性；
3. 最大焦距達(dá)400mm，最大像面達(dá)1"。
參數(shù)：
鏡頭是成像部件，它收集被觀測(cè)物體發(fā)出的光，在后方成像。鏡頭配合相機(jī)使用，相機(jī)是記錄鏡頭所成像的部件，相機(jī)本身不能成像。
鏡頭有許多參數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際使用需求選擇合適的參數(shù)。
以下是鏡頭參數(shù)的解釋說(shuō)明。
1. 焦距：
焦距是指鏡頭的光學(xué)中心（光學(xué)后主點(diǎn)）到成像面焦點(diǎn)的距離，平行光通過(guò)鏡頭匯聚于一點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是所說(shuō)的焦點(diǎn)，是鏡頭的重要性能指標(biāo)。
一般常用的工業(yè)鏡頭的焦距為8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm等。
焦距是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式。
焦距的大小決定著視場(chǎng)角的大小，焦距數(shù)值小，觀察的范圍大；焦距數(shù)值大，視場(chǎng)角小，觀察范圍小。
圖1：鏡頭焦距與工作距離選擇。
焦距f ÷ 工作距離 WD = 傳感器橫向尺寸 ÷ 橫向視野尺寸 = 傳感器縱向尺寸 ÷ 縱向視野尺寸。
后焦距：鏡頭最后一個(gè)鏡片表面頂點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離。因?qū)箷r(shí)鏡頭后鏡片可能移動(dòng)，一般標(biāo)注無(wú)窮遠(yuǎn)對(duì)焦時(shí)的后焦距，也就是最小后焦距，有限距離成像時(shí)后焦距會(huì)增大。
2. F值：
光圈F值又稱為光圈數(shù)，是鏡頭焦距與有效孔徑(即光圈)之比。
光圈數(shù) = 焦距 ÷ 有效孔徑。
F值衡量光學(xué)系統(tǒng)通光量的大小。
圖2：光圈與景深。
一般鏡頭會(huì)標(biāo)注最小光圈數(shù)，即最大通光孔徑。如F1.4，F(xiàn)1.8，F(xiàn)2.0等。
光圈的調(diào)節(jié)會(huì)有兩個(gè)主要影響：成像亮度與景深。
光圈越大，進(jìn)入系統(tǒng)的光線越多，圖像亮度越高；光圈越小，進(jìn)入系統(tǒng)的光線越少，圖像越暗。
光圈越大，景深越小，虛化明顯；光圈越小，景深越大。
圖3：大光圈通光量大，景深小虛化明顯。
3. 視場(chǎng)角：
在光學(xué)系統(tǒng)中，以鏡頭為頂點(diǎn)，以被測(cè)物體通過(guò)鏡頭的較大成像范圍的兩邊緣構(gòu)成的夾角叫做視場(chǎng)角。視場(chǎng)角的大小決定了鏡頭的視野范圍，視場(chǎng)角越大，視野就越大，光學(xué)倍率也就越小。
視場(chǎng)角與傳感器尺寸有關(guān)，鏡頭的視場(chǎng)角應(yīng)標(biāo)明標(biāo)準(zhǔn)傳感器尺寸。
以聯(lián)合光科16mm 2/3" 5M 定焦鏡頭 為例：
| 傳感器尺寸 | 視場(chǎng)角
（對(duì)角×水平×垂直） | 對(duì)象大小
（在最近對(duì)焦距離處） |
| 2/3" | 38.0°×30.8°×23.4° | 145.6×116.5×87.3mm |
| 1/2" | 28.1°×22.7°×17.1° | 105.9×84.6×63.5mm |
| 1/3" | 21.3°×17.1°×12.9° | 79.4×63.5×47.6mm |
表1：16mm鏡頭傳感器與視場(chǎng)大小。
使用某一款相機(jī)，在相同工作距離下拍攝，不同焦距的鏡頭也會(huì)有不同的視場(chǎng)角。
圖4：同款相機(jī)，相同工作距離，不同焦距的拍攝效果（注：圖中所標(biāo)為水平視場(chǎng)角）。
視場(chǎng)角與焦距有關(guān)，如下圖片：視場(chǎng)角與鏡頭焦距。
圖5：鏡頭焦距與視場(chǎng)角。
4. 畸變：
理想的鏡頭成像，物平面與像平面上的放大倍率是固定的，但實(shí)際這一性質(zhì)只有在圖像中心區(qū)域的小視場(chǎng)才具備。圖像的放大倍率會(huì)隨著視場(chǎng)增大而變化，使成像產(chǎn)生失真。
鏡頭對(duì)被攝物體所成的像相對(duì)于物體本身的失真程度稱為畸變。
通常分為兩種：
枕形畸變：鏡頭成像畫(huà)面呈向中間收縮的失真現(xiàn)象。
桶形畸變：鏡頭成像畫(huà)面呈桶形膨脹狀的失真現(xiàn)象。
圖6：枕形畸變與桶形畸變。
畸變會(huì)使圖像變形，但不影響成像分辨率，可以使用軟件校正。
5. 接口：
相機(jī)和鏡頭的連接方式即為鏡頭的光學(xué)接口，業(yè)內(nèi)對(duì)于光學(xué)接口已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。例如CS口、C口、F口。在工業(yè)應(yīng)用中，一般C口和CS口用在小傳感器尺寸相機(jī)上，F(xiàn)口用在大傳感器尺寸相機(jī)上。此外，還有線陣相機(jī)常用接口M42、M58、M72等，顧名思義這些就是某個(gè)直徑的螺紋口。
| 卡口 | 機(jī)身相場(chǎng)定位(法蘭)距離 | 接口類型 |
| C | 17.526mm | 螺紋M25.4×0.8 |
| CS | 12.5mm | 螺紋M25.4×0.8 |
| F | 46.5mm | 三爪卡口 |
| M42（SLR型） | 45.5mm | 螺紋M42×1 |
| M42（T型） | 55mm | 螺紋M42×0.75 |
| M58 | 11.48mm | 螺紋M58×0.75 |
| M72 | 11.48mm | 螺紋M72×0.75 |
表2：鏡頭接口規(guī)格。
6. 最大傳感器尺寸：
鏡頭在像平面的成像是圓形，但接收?qǐng)D像的傳感器通常為矩形，所以最終保存的圖像是矩形。鏡頭成像尺寸會(huì)以通用尺寸的傳感器設(shè)計(jì)，使得圓形像外接矩形傳感器，這個(gè)傳感器尺寸就是該鏡頭的最大傳感器尺寸。
如果使用更大尺寸的傳感器，四個(gè)角會(huì)在鏡頭圓形像之外。
可以使用更小尺寸的傳感器，傳感器只采集到圓形像較小區(qū)域，視場(chǎng)和視場(chǎng)角會(huì)變小。
| 傳感器尺寸 | 對(duì)角線長(zhǎng)度/mm | 水平長(zhǎng)度/mm | 豎直長(zhǎng)度/mm |
| 1/4" | 4 | 3.2 | 2.4 |
| 1/3" | 6 | 4.8 | 3.6 |
| 1/1.8" | 9 | 7.1 | 5.3 |
| 2/3" | 11 | 8.8 | 6.6 |
| 1" | 16 | 12.8 | 9.6 |
| 4/3" | 22 | 17.6 | 13.2 |
表3：傳感器尺寸。
(左圖) 圖7：視場(chǎng)角與傳感器 、 （右圖）圖8：像圈外接在匹配的傳感器四角。
7. 入瞳與出瞳：
入瞳距離：入瞳是限制入射光束的有效孔徑，是孔徑光闌被前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像；入瞳距離是入瞳與鏡頭第一個(gè)鏡片表面的距離。
入瞳直徑：孔徑光闌對(duì)前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像的大小。
出瞳距離：出瞳是限制出射光束的有效孔徑，是孔徑光闌被后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像；出瞳距離是出瞳與鏡頭最后一個(gè)鏡片表面的距離。
出瞳直徑：孔徑光闌對(duì)后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像的大小。
孔徑光闌：
圖9：入瞳與孔徑光闌。
鏡頭中對(duì)入射光束有限制作用的，如透鏡邊緣，螺紋，鏡筒壁等，都可以稱為光闌。
如圖，1，2鏡片邊緣，3光圈都可以限制入射光束，圖中能通過(guò)1號(hào)鏡片的光束只有一部分能進(jìn)入2號(hào)鏡片，通過(guò)2號(hào)鏡片的光束只有一部分能進(jìn)入3號(hào)光圈，所以3號(hào)光圈最終限制能進(jìn)入鏡頭成像的光束大小。
最終限制鏡頭入射光束大小的光闌稱為孔徑光闌。
表示孔徑光闌的大小并非實(shí)際尺寸，而是通過(guò)前方或后方所有光學(xué)元件成像的大小。圖中，在A點(diǎn)觀測(cè)時(shí)，3號(hào)光圈被1號(hào)和2號(hào)透鏡放大成4號(hào)虛像，A點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)1號(hào)2號(hào)透鏡進(jìn)入3號(hào)光圈，與光從A點(diǎn)直接進(jìn)入4號(hào)等效。把光圈對(duì)兩個(gè)透鏡所成的4號(hào)像稱為入瞳。
孔徑光闌被前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像，叫做入瞳，像的直徑為入瞳直徑。
孔徑光闌被后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像，叫做出瞳，像的直徑為出瞳直徑。
8. 光學(xué)總長(zhǎng)：
鏡頭第一片鏡片表面到像平面的距離。
圖10：光學(xué)總長(zhǎng)。
9. 放大倍率：
是指物體通過(guò)鏡頭在焦平面上的成像大小與物體實(shí)際大小的比值。定焦鏡頭一般成倒像，放大倍率帶負(fù)號(hào)。
對(duì)同一個(gè)鏡頭而言，光學(xué)倍率與被拍攝物體距離鏡頭的遠(yuǎn)近有關(guān)；在最短工作距離對(duì)焦時(shí)，光學(xué)倍率最大。
| 8mm 2/3" 5M 定焦鏡頭 對(duì)焦距離與放大倍率 |
| 對(duì)焦距離 | 放大倍率 | 前景深(mm) | 后景深(mm) | 對(duì)焦距離 | 放大倍率 | 前景深(mm) | 后景深(mm) |
| 100mm | -0.072 | 1.019 | 1.066 | 350mm | -0.023 | 17.924 | 21.972 |
| 150mm | -0.050 | 2.392 | 2.552 | 400mm | -0.020 | 23.241 | 29.297 |
| 200mm | -0.039 | 6.366 | 6.984 | 500mm | -0.016 | 35.204 | 50.558 |
| 250mm | -0.031 | 12.981 | 16.026 | 750mm | -0.011 | 70.795 | 81.776 |
| 300mm | -0.026 | 26.267 | 14.553 | 1000mm | -0.008 | 160.004 | 160.975 |
表4：對(duì)焦距離與放大倍率。
10. 景深：
鏡頭對(duì)某一物平面對(duì)焦后，在對(duì)焦平面的前后都有一段能清晰成像的范圍，分別稱為前景深和后景深。
景深=前景深+后景深。
圖11：景深。
像方彌散圓：成像光束未會(huì)聚于一點(diǎn)，在像平面上形成一個(gè)擴(kuò)散的圓形投影，稱為彌散圓。
景深ΔL=ΔL1+ΔL2。
δ：彌散圓直徑；
f ：焦距；
F：光圈F值；
L：工作距離；
減小光圈（增大F值）、增加工作距離、選擇小焦距鏡頭均可使景深增加。
11. 工作距離：
指從鏡頭前部到被觀測(cè)物體的距離。
12. 主光角CRA：
鏡頭CRA，表示鏡頭主光線與光軸的夾角。主光線是從被觀測(cè)物體發(fā)射，經(jīng)孔徑光闌的中心到成像的光線。
傳感器CRA：可以聚焦到像素上的光線的最大角度。超過(guò)此角度的光束不能被傳感器接收。
一般要求鏡頭CRA不大于相機(jī)傳感器CRA。
圖12：傳感器主光角。
a.像素上方聚光透鏡，b.金屬導(dǎo)線，c.光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。
圖中1號(hào)光線主光角超過(guò)傳感器CRA，光線無(wú)法到達(dá)光電轉(zhuǎn)換區(qū)域；2號(hào)3號(hào)主光角小于傳感器CRA，光線可以到達(dá)光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。
13. 分辨率：
鏡頭的分辨率是指鏡頭可以分辨兩個(gè)靠近的點(diǎn)的能力，也稱為解析力。鏡頭分辨率通常使用MTF曲線表征。MTF曲線表示空間頻率與傳遞函數(shù)值的關(guān)系。空間頻率是每mm線對(duì)數(shù)，可以代表兩個(gè)點(diǎn)的靠近程度。傳遞函數(shù)代表反差即能分辨出兩個(gè)靠近點(diǎn)的程度。
傳感器分辨率一般指橫向與縱向像素?cái)?shù)乘積，如500萬(wàn)像素，傳感器橫向與縱向像素?cái)?shù)為2560×1920。單個(gè)像素即像元的尺寸，與傳感器的尺寸和分辨率相對(duì)應(yīng)。可以根據(jù)表3傳感器尺寸除以像素?cái)?shù)量，得到像元尺寸。如2/3" 500萬(wàn)傳感器，像元尺寸3.4μm。鏡頭的分辨率應(yīng)與像元尺寸匹配。通常按照線對(duì)尺寸的一半選擇像元尺寸。例如，1/1.8" 小像元鏡頭，是230lp/mm高分辨率設(shè)計(jì)，線對(duì)尺寸1000/230μm=4.34μm，匹配像元尺寸4.24/2μm=2.17μm，可以匹配市面上2.2μm的傳感器。選擇比2.2μm小的像元，并不能帶來(lái)更豐富的細(xì)節(jié)。
14. MTF曲線：
橫軸表示空間頻率，即每mm線對(duì)數(shù)。縱坐標(biāo)表示傳遞函數(shù)，數(shù)值為1，線對(duì)對(duì)比明顯，可清晰分辨；數(shù)值為0，線對(duì)沒(méi)有反差無(wú)法分辨。
圖14中有多條曲線，每條曲線都標(biāo)注像高。0mm表示軸上MTF數(shù)值，4.5mm表示軸外像高4.5mm的MTF數(shù)值。不同像高的MTF曲線趨勢(shì)一致不分散，表示鏡頭軸上軸外一致性高。黑色直線代表受衍射極限限制的MTF數(shù)值。
在低頻空間的MTF反應(yīng)鏡頭反差，高頻空間的MTF反應(yīng)鏡頭分辨率。理想的成像鏡頭MTF曲線應(yīng)緩慢下降。
圖13：1/1.8”小像元鏡頭MTF曲線。
15. 其他解釋：
變焦：當(dāng)不方便通過(guò)改變工作距離來(lái)控制成像大小時(shí)，可以更換其他焦距的鏡頭，或者使用變焦鏡頭。變焦鏡頭比定焦鏡頭多一個(gè)調(diào)焦環(huán)，旋轉(zhuǎn)調(diào)焦環(huán)可以改變視場(chǎng)角，當(dāng)工作距離不變時(shí)，可以改變成像的大小。
對(duì)焦：定焦鏡頭的焦距是固定不變的，當(dāng)改變工作距離，手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡頭使成像清晰的過(guò)程稱為對(duì)焦。定焦鏡頭一般有兩個(gè)轉(zhuǎn)環(huán)：對(duì)焦和光圈調(diào)節(jié)。
調(diào)焦：在使用定焦鏡頭時(shí)，通常所說(shuō)的調(diào)焦，其實(shí)是對(duì)焦。通過(guò)旋轉(zhuǎn)對(duì)焦環(huán)，使成像清晰。
對(duì)焦與調(diào)焦的區(qū)別： 對(duì)焦過(guò)程不會(huì)改變視場(chǎng)角，即不會(huì)改變視場(chǎng)范圍，工作距離確定后對(duì)焦不會(huì)改變成像大小；變焦鏡頭調(diào)焦時(shí)會(huì)改變視場(chǎng)角（視場(chǎng)范圍，放大倍率，成像的大小），一般調(diào)焦完成，需要再次對(duì)焦成清晰的像。
焦距，工作距離與放大倍率：
（圖左）圖14：相同鏡頭，工作距離增大，放大倍率減小 、 （圖右）圖15：相同工作距離，小焦距鏡頭，放大倍率小；大焦距鏡頭，放大倍率大。
在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)工作距離，或者更換不同焦距的鏡頭，來(lái)改變圖像大小。
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