光学镜头的主要参数
焦距
主点到焦点的距离称为光学系统的焦距，这是镜头的重要参数之一，它决定了 像与实际物体之间的比例。在物距一定的情况下，要得到大比例的像，则要求选用 长焦距的镜头。
如图2所示，自物方主点H到物方焦点F的距离称为物方焦距或前焦距f；类 似地，自像方主点H '到物方焦点F '的距离称为物方焦距或前焦距f 其定义 具有方向性，如果主点到焦点的方向与光线的方向一致，则焦距为正；反之则为 负。图2中所示的情况，像方焦距f '>0,物方焦距f '〈0。如果系统两侧的介质 相同，则f=-f? 相对孔径与光圈数F数
相对孔径为入瞳直径与焦距的比值D/f ',它主要影响像面的照度，照相镜 头像面的照度与相对孔径的平方成正比。为了满足景物较暗时摄影的需要，或者为 了对高速运动物体摄影，要求采用很短的曝光时间，它们都要求提高像面的照度， 因此就需要采用大的相对孔径。 镜头通常釆用光圈数F来表示通光孔径的大小，光圈数F数为相对孔径的倒数，即 F二 f ' / D
视场角(FOV： Field of view)与像面尺寸
镜头的视场角决定了被拍摄景物的范III于摄影系统一般是对远处景物成 像，所以其像面通常位于焦平面附近，因此像面大小与视场角2W '的关系可表示 为
式
y
'
二f
'
tanW
公式中y'应该是像面区域的半径。
LI询，工业相机通常使用CCD或者CMOS传感器作为像面接收器，有面阵和线 阵两种，其工作区域的形状分别为矩形或线形，传感器的工作区域必须包含在镜头 所确定的像面圆形区域之内。在镜头的参数中，也经常使用传感器的大小来表示视 场大小。
面阵传感器是由许多像素单元组成的一个矩形阵列，每个像素单元都是一个方 形传感器。面阵传感器的大小通常是以其对角线的长度来表示的。訂前常用的面阵 传感器有：
，
公'
1英寸 对角线(mm) 幅面尺(mm) 16 12.8X9.6 2/3英寸 11 8. 8X6. 6 1/2英寸 8 6.4X4.8 1/3英寸 6 4.8X3.6 1/4英寸 4 3. 6X2. 7 线阵传感器也是山许多像素单元组成，与面阵传感器不同的是，这些像素单元 排成一个单列。线阵传感器的大小则是以像素单元的数量和大小来表示的。线阵传 感器的规格有IK、2K、4K、8K、12K等，像素单元有5Pm、7Pm. lOMm、14Mm等。
对于同一个传感器，长焦距的镜头只能有较小的视场角，能对远处景物拍摄得 比较大的像，适宜于远距离摄影，故常称之为望远镜头；而短焦距的镜头则有较大 的视场角，能将近处
较大范围内的景物摄入像面，故乂称之为广角镜头，视场角更 大的乂称为鱼眼镜头；介于二者之间，焦距属于中等，约等于幅面对角线长度的镜 头，称之为标准镜头。 工作波长
光学镜头都是针对一定波长范围内的光波工作，自物面发出的光波，在此波长 范围内的，能够通过镜头在像面上成一清晰像，而且能量衰减较小；而在此范围外 的光波，则难以校正像差，成像质量差，分辨率低，而且能量衰减很大，其至被光 学介质材料所吸收，完全不能通过镜头。
光就其本质来说就是电磁波，按照波长通常将其划分成不同的光谱波段，如下 表所示：
波段 真空紫外 紫外 (UV) 100?380 远紫外 中紫外 近紫外 可见 MS) 380^780 符号 VUV FUV Middle UV Near UV Violet Blue Blue green Green Yellow green Yellow Orange 波长(nm) 100^200 200^280 280^315 315\ 380^424 424~486 486~517 517^527 527~575 575~585 585~647 紫 蓝 蓝绿 绿 黄绿 黄 橙
红 近红外 红外 (IR) 780nnTlmni
Red NIR MIR FIR 647~780 780nm-3mm 3mm-50mm 50mmTmm 中红外 远红外 分辨率
分辨率是评价镜头质量的一个重要参数，定义为在像面除镜头在单位毫米内能 够分辨开的黑白相间的条纹对数，如图4所示：
IIIIIIIIIIIIIIIIIIII
2d
图4分辨率条纹
分辨率为l/2d,其中，d为线宽。分辨率的单位为为lp/mm (线对/毫米)。 在理想成像镜头的焦平面上能分辨开来的二条纹之间的相应间距
1.22 久 C- =1.22^ F
其倒数即为理想镜头的分辨率
cr 1.22^-^
公式中，入为中心波长，单位为毫米。可见，理想镜头的分辨率完全由相对 孔径所决定，相对孔径越大，F/#越小，分辨率就越高。按此公式决定的只是视场 中心的分辨率，在视场边缘，由于成像光束的孔径角比轴上点小，因此分辨率有所 降低。
实际的摄影镜头，由于有比较大的剩余像差，其分辨率要比理想镜头的分辨率 低得多。因此,通常使用调制传递函数(MTF： Modulation Transfer Function) 来表征镜头的实际分别率。调制传递函数MTF定义为在一定空间频率时像面对比度 与物面对比度之比，这里空间频率以单位毫米内的线对数来表示，其单位为 lp/mm。对于一个镜头，不同的空间频率处的MTF是不同的，一般来说，随着空间 频率的增大，MTF越来越小，直至为零，MTF为零时的空间频率称为镜头的截止频 率。一些镜头厂家为了表示方便，通常也以镜头的截止频率来替代MTF,用以表示 镜头的分辨率。
在实际工业应用中，系统使用面阵或线阵传感器作为成像器件，因此系统的分 辨率通常也会受到成像传感器中像元分辨率的限制。像元分辨率定义为单位毫米内 像素单元数的一半，即
其中P为像素单元的尺寸大小，例如一个CCD的像元尺寸大小为5X5微米, 则像元分辨率则为：
1 2x0.005
传感器的像元分辨率限制了系统的最高分辨率，即使镜头的分辨率再高，系统 也不可能分辨高于像元分辨率的细节。然而在实际使用中，由于景深的存在，为了 使镜头偏离对准面仍然能够成像清晰，因此，在选择镜头时，通常要求镜头分辨率 要略高于像元分辨率，这样才能使系统的分辨率达到传感器所限制的最高分辨率。 畸变
对于理想光学系统，在一对共觇的物像平面上，放大率是常数。但是对于实际 的光学系统，仅当视场较小时具有这一性质，而当视场较大或很大时，像的放大率 就要随着视场而异，这样就会使像相对于物体失去相似性。这种使像变形的成像缺 陷称为畸变。
畸变定义为实际像高y '与理想像高y0 '之差y ' -y0 ',而在实际应用 中经常将其与理想像高yO '之比的百分数来表示畸变，称为相对畸变，即
/o'
有畸变的光学系统，若对等间距的同心圆物面成像，其像将是非等间距的同心 圆。当系统具有正畸变时，实际像高y '随视场的增大比理想像高yO '增大得 快，即放大倍率随视场的增大而增大，则同心圆的间距自内向外逐渐增大；反之， 当为负畸变时，圆的间距自内向外逐渐减小。若物面为如图5 (a)所示的正方形
:山负畸变光学
图
5畸变
畸变在光学系统中只引起像的变形，对像的清晰度并无影响。因此，对于一般 的光学系统，只要感觉不出它所成像的变形，这种成像缺陷就无妨碍。但是对于某 些要利用像来测定物体大小尺寸的应用，畸变的影响就非常重要了，它直接影响测 量精度，必须予以严格校正。
景深
当把物镜调焦到某一摄影对象时，在该对象的前后能在像面上呈清晰像的范 围，称为景深。如图6所示，景深就是A1+A2。像平面A'为传感器靶面所在平 面，其共轨平面A为对准平面。能在靶面上呈清晰像的最远平面，即物点B1所在 的平面，称为远景，能在靶面上呈清晰像的最近平面，即物点B2所在的平面，称 为近景。物点Bl、B2分别成像于靶面前后，投影到靶面上成为弥散斑，当弥散斑 小到一定程度时可认为是清晰的像。
图6景深 景深的讣算公式为:
式中，A1和A2分别为远景深度和近景深度，p、pl和p2分别为调焦平面、 远景平面和近景平面到物镜的距离，f '为物镜的焦距，F为物镜的光圈数，5为 像面上可允许的弥散圆直径，在CCD或CMOS上其最小值为像元尺寸。
可见，景深与物镜的焦距、光圈大小和摄影距离有关。光圈越小（F数越 大），或摄影距离越大，景深就越大，但远景深度要比近景深度大。若在同一距离 用同一光圈值摄影时，焦距短的镜头，具有大的景深；反之，长焦距镜头的景深就 小。 工作距离
在选择镜头时，为了确定系统的空间尺寸，往往需要了解镜头工作时的物距、 像距以及镜头的两个主面之间的距离等参数。然而，物距、像距均是相对与镜头光 学系统的主面位置而言的，而镜头的主面却难以直接确定，因此物距、像距等参数 也难以直接测量得到。于是，镜头厂家提出了工作距离这一参数，同时也给出了在 该工作距离处镜头的放大倍率，以方便使用者确认系统的空间尺寸。
然而，D前对于工作距离的定义还没有形成统一意见，主要有两种定义。第一 种定义是指被摄物体到相机底片的距离；另一种定义是指被摄物体到镜头询端面的 距离。□前，大部分相机镜头厂家均采用第一种定义，因此，在没有特殊说明的情 况下，手册中给出的工作距离既是第一种定义。 相机接口
镜头基础知识
