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    工业镜头基础知识

    时间:2017-05-17来源:沙巴足球直播 本文已影响

    篇一:镜头基础知识

    日本尼康公司生产摄影(像)镜头已有近60年的盛久历史,一直以清晰度高、反差大著称,用于新闻、建筑、工业、医学、翻拍、制版等拍摄用途以至彩色摄影都是一时之选。尤其难得的是质量极为稳定,从未发生大起大落的现象;在无数测试、评比中始终名列前茅、保持高质量的形象,因而取得了广大专业工作者和摄影爱好者的高度信赖。那么尼康公司是怎样保持其镜头质量始终居于业界领先地位呢?

    近摄校正系统

    一般镜头通常在拍摄中景或无景时能得到是为清晰悦目的成象质量。近摄时,象差增大成象质量也就下降。大口径镜头近摄时象质下降现象尤其严重,不但反远距型不对称结构的大口径广角镜头如此,就是大口径的对称结构镜头也不例外,尼康为了解决这一问题采用了其独特的近摄校正系统(CRC),即浮动镜片系统来校正近摄象差。当近摄时通过镜头中的一组(有时是两组)镜片相对于其他镜片幅度不同的移动来校正因物距变化而增大的象差达到提高成象质量的目的。由于浮动范围一般都很小,大多只在1毫米范围以内,因而对机械结构精确度要求很高,使制造成本大幅度增加,在近摄质量下降比较严重的广角镜头中,尼康不惜工本地普遍采用这种近摄校正系统严格地校正了近摄时出现的象场弯曲现象;而在个别近摄象差较大的中远摄镜头中也采用了近摄校正系统基本消除了近摄时增大的球差。使这些镜头从无限远到最近调焦距离都能保证高的鉴别率和优良的成象质量。

    尼康集成镀膜

    镜头表面对光的反射,以及玻璃对光的吸收会产生重影、眩光、降低反差并破坏色彩还原等不良后果,为了解决这一问题,尼康所有镜头的镜片都镀有多层极薄的镀膜。由于镀膜并非只有利而无弊,更不是镀层愈多愈好,过多过厚的镀层会起有害的滤光作用,滤掉一部分可见光谱,因此与其他制造厂不同,尼康将这种称为尼康集成镀膜(NIC)的多层镀膜工艺纳入每一支尼康镜头的设计工作中去,根据镜头类型和玻璃材质的不同等因素,分别精确地标出每一镜片需要的镀膜层数,达到最佳的匹配状态。这样使所有尼康镜头都大大减小了眩光和重影,提高了影象的反差。

    根据对一批进口日本镜头测试结果,尼康的几只定焦、变焦镜头不但透过率最高,全部色增生指数测试值都在国际标准公差范围的中间值上,而且所有镜头的测试值几乎完全相同,互换性极好,可见尼康镜头设计及镀膜工艺水平确实高人一等,而且工艺极为稳定。 特低色散玻璃

    摄影是靠光线成象的,黑白全色胶片或彩色胶片都要求蓝光和红光在同一平面上聚焦以防止产生色散现象而降低清晰度,标准镜头和广角镜头不会发生这一问题,但对于远摄镜头,尤其是180mm以上焦距的镜头,只要红光与蓝光焦距之间稍有差异就会使长焦距镜头的清晰度和彩色还原受到很大影响,而比短焦距镜头逊色得多,尼康开发了一种新型的特低色散玻璃(ED玻璃)不但能克服这一缺点,而且这种玻璃还和其他光学玻璃同样坚硬、耐刻划,因此可用作暴露在外面的前、后镜片。

    尼柯定焦镜头自180mm至3000mm焦距大部分采用了ED玻璃来消除色散现象,而焦距为400mm及以上的定焦镜头则全部采用了ED玻璃。一些长焦距变焦镜头也采用了ED玻璃。由于大大地减小了色散现象,显著地改变了长焦距镜头鉴别率总是比短焦镜头差得多的现象,因此虽然价格贵得多,但受到要求高质量的摄影工作者的普遍欢迎。 内调焦方式

    一般采用的有双螺纹面的调焦环在调焦过程中要将整个镜头的所有镜片组都在镜筒内作前后方向的移动,从而使镜头长度也发生伸缩的变化。这种复杂的调焦机构大大增加了整个镜头的体积和重量,可能使手持拍摄发生困难。为了解决这一问题,尼康开发了内调焦(IF)

    系统,在调焦时只有调焦镜片组在内部移动,而

    工业镜头基础知识

    镜头长度并不改变,这样简化了镜头结构而使镜头的体积和重量都大幅度减小,甚至有的超远摄镜头也可能手持拍摄,调焦也更快、更容易,内调焦系统还能缩短镜头的最近拍摄距离,并提高远摄镜头在近摄时的成象质量。尼康有一套十分严密的质量保证体系以确保所有技术措施的贯彻和产品质量的长期高度稳定,从光学玻璃原材料开始,经过各道复杂工序到镜头的最后装配测试都在本厂完成,并始终处于精密仪器和熟练技师的不断反复检查控制之下,虽然提高了成本而使尼康镜头售价较高,但却杜绝了不合格品漏检现象使每一位顾客都放心。最为尼康顾客所称道的是尼康对产品负责到底的精神。尽管135单反相机功能不断推陈出新,迫使镜头接口不断随着作巨大甚至根本性的改变,然而尼康最新F4等相机却能够继续采用30年前(即1960年)生产的老镜头,这点确实举世无双的创举,表明尼康不但关注生产中的每一支镜头,而且没有忘记早年出厂在顾客手中的所有老镜头,这种"顾客观点"也许是尼康镜头高质量的最有力保证。遍布全世界数以百万计的尼康镜头不但不断起着宣传尼康高质量的作用,而且成为尼康与其广大顾客之间不断加强的强有力的纽带。尼康之所以常盛不衰,其最大奥秘就在这里。

    AF-S是对焦

    f/2.8D是微距

    "400mm是焦距吗,难道有比50mm普通焦距大出这么大的长焦镜头吗?"

    这个问题不好意思,请咨询一下专业摄影师吧

    回答者: lami39 - 四级2007-1-15 12:36

    楼主问的应该是快门、光圈和感光度(ISO)的关系。

    为了容易理解先抛开ISO不说。也就是认为ISO固定。只说快门和光圈。

    快门表示进光的时间,例如一张照片的快门速度:1/60s(表示60分之一秒)。这很好理解。

    光圈是一个用来控制光线透过镜头,进入机身内感光元器件的光量的装置,它通常是在镜头内。表示光圈大小是用f值。

    大光圈表示光圈开的越大,但光圈值越小。完整的光圈值如下: f1,f1.4,f2,f2.8,f4,f5.6,f8,f11,f16,f22,f32,f44,f64 每一档光圈的进光量是前一档的一半。至于那些F1.8、F3.5之类的光圈值是因为相机支持光圈值1/3步进。

    (注,楼主的第一段问题中的镜头越大,应当是光圈越大。)

    拍摄照片,为了获得正常曝光可以使用很多快门速度和光圈值组合进行拍摄。

    例如一张照片的拍摄参数是快门速度:1/100s ,(一百分之一秒) 光圈值 F4。

    获得正常曝光同样可以使用1/200s, F2.8,或1/50s,F5.6这样的快门光圈组合。

    就像打开水龙头接满一杯水,水龙头开的越大(光圈开的越大),需要的时间(快门速度)就越短。水龙头开的越小,需要的时间就越长。

    如果使用的快门速度越快,必然要使用更大的光圈获得更大的进光量维持正常的曝光。

    现在可以将ISO加入,ISO表示感光速度,ISO200的感光速度是ISO100的一倍。

    换句话说在其他条件相同的情况下,ISO 200所需要的曝光时间是ISO 100的一半。但ISO更高,也更容易增加噪点。

    接下来解释焦距

    镜头的焦距可以理解为从镜头的中心点到胶片(CCD)平面上所形成的影像之间的距离。 镜头的焦距决定了该镜头拍摄的被摄体在胶片(CCD)上所形成影像的大小。

    假设以相同的距离面对同一被摄体进行拍摄,那么镜头的焦距越长,则被摄体在胶片(CCD)上所形成的影像就越大。

    标准镜头的视角约50度左右,这是人单眼在头和眼不转动的情况下所能看到的视角,从标准镜头中观察的感觉与我们平时所见的景物基本相同。35mm相机的标准镜头的焦距多为40mm,50mm或55mm。

    广角镜头,顾名思义就是其摄影视角比较广,适用于拍摄距离近且范围大的景物,有时用来刻意夸大前景表现,强烈远近感以及透视。35mm相机的典型广角镜头为焦距28mm,视角为72度。比一般广角镜头视角更大的是超广角镜头(如焦距为24mm,视角84度)以及所谓的鱼眼镜头,其焦距为8mm,视角可达180度。

    长焦距镜头适于拍摄远距离景物,景深较小,因此容易使背景模糊,主体突出。35mm相机长焦距镜头通常分为三级,135mm以下称中焦距,如85mm,视角28度,105mm,视角23度以及135mm,视角18度。中焦距镜头经常用来拍摄人像,有时也称为人像镜头。135-500称长焦距,如200mm,视角12度,400mm,视角6度。500mm以上的称为超长焦距,其视角小于5度,适用于拍摄远处的景物。如球场上的特写以及野生动物的拍摄,因无法靠近被摄物,超长焦距镜头就大有用武之地。

    随着技术的不断提升 超长的焦距600mm的乃至更长焦距的镜头都可以制造,但造价十分昂贵。

    接下来解释 尼康 AF-S 400mm f/2.8D IF-ED II 的参数含义及所起到的作用:

    AF-S -- 代表该自动对焦镜头装载了静音马达(Silent Wave Motor,S),这种马达等同于佳能的超音波马达(ultrasonic motor),可以由“行波”(traveling waves)提供能量进行光学聚焦,可高精确和宁静地快速聚焦,可全时手动对焦。

    400mm -- 镜头焦距

    f/2.8 最大光圈

    D Distance)-- 焦点距离数据传递技术,问世于1992年。代表镜头可回传对焦距离信息,作为 3D (景物的亮度,景物对比度,景物的距离) 矩阵测光的参考以及 TTL 均衡闪光的控制。

    IF(Internal Focusing)-- 内对焦技术。所谓内对焦是指镜头在对焦时,前后组镜片都不移动,而由镜头内部的一个对焦镜片组(focus lens group)的浮动来完成对焦,对焦时镜头长度保持不变。IF技术的采用使快速而安静的对焦变为可能。

    ED( Extra-low Dispersion)-- 超底色散镜片。指这支镜头内含 ED 镜片,最大限度降低镜头色差(chromatic aberration),从而保证镜头有优异的光学表现。

    II 此型号所推出的第二代。

    关于尼康主流单反相机的选择。如果购买套机,在D40 D50 D70s中建议选择D70s套机. 因为性能最高价格已经很低而且套头素质在三款中最好。可以搭配所有尼康尼克尔镜头及腾龙、适马、图丽等副厂镜头。

    至于镜头的搭配要取决于拍摄题材。套头已经能够满足一般家用的要求。如有其他用途,请楼主作问题补充后再给予解答。

    回答者: 博宝豆 - 六级2007-1-15 15:32

    Sigma(适马)镜头

    ASP 非球面镜片:

    在镜头设计中采用不是球面的镜片,可以减少镜片的数量,在降低重量和减小体积的同时,能提供更好的光学性能。非球面镜片一般用来解决广角和变焦镜头中的眩光和边缘变形等问题,在长焦镜头中也能提高光学素质。

    APO APO镜头:

    这些镜头采用复消色散设计和采用特殊低色散玻璃(SLD)镜片,用于减少彩色像差,从而提高长焦镜头像质,改善反差和提高清晰度。标识有APO Zoom Macro的变焦镜头在长焦端可达1:2的最大放大倍率;标识有APO Tele-Macro的长焦镜头可达1:3的最大放大倍率。 IF/RF 内调焦和后部调焦:

    常规的AF镜头是靠移动整个镜头系统或者移动前镜组来实现。在Sigma的长焦和长焦微距镜头中,标记有IF/RF的是靠移动镜头内部的镜片组来实现AF的,大大地改善了微距能力。而在超广角镜头中,由于镜头前端直径较大,于是通过移动后组来实现AF 采用IF/RF的好处是:保持在任何焦点处镜头的实际尺寸不改变。

    HSM 超声波马达(HSM):

    可以实现无声、快速响应的AF/MF和全时MF。

    UC 超紧凑(Ultra Compact):

    这类镜头体积孝重量轻。

    DL 豪华(DeLuxe):

    尽管其售架适中,但DL镜头是全功能镜头。如同其他的Sigma镜头一样,配备专用的遮光罩,具有半档光圈、手动光圈设定、景深指示、距离指示、红外矫正指示等。 DF 双调焦(Dual Focus):

    这类镜头在AF时,调焦环不转动;在MF时,阻尼适中,所以握持性能很好。 HF 螺旋型调焦(Helical Focus):

    这类镜头镜头前端不转动,方便使用定制的遮光罩和偏振镜。

    EX 优秀(EXcellence):

    属于专业类镜头,特征是镜筒为EX涂层和有EX的标记。

    Leica镜头

    Noctilut 这是徕卡公司所制作最大光圈的镜头。1966年徕卡发表了内含一片非球面镜片的Noctilux-M 1:1.2/50mm,而现在生产的Noctilux-M 1:1/50mm便是根据先前的款式改良而来。

    Summilux 在现今徕卡生产的镜头中,只要是光圈值为1.4的镜头,便会取名Summilux。首次出现这个名词是在1959年的Summilux-M 1:1.4/50mm。

    Summicron 在现今徕卡生产的镜头中,只要是光圈值为2的镜头,便会取名Summicron。首次出现这个名词是在1953年的Summicron 1:2/50mm。

    Elmarit 现今徕卡生产的镜头中,只要光圈值为2.8的镜头,便会取名Elmarit(例外:Elmar-M 1:2.8/50mm)。首次出现这个名词是在1959年的Elmarit 1:2.8/90mm。

    Elmar 现今徕卡生产的镜头中,只要是光圈值在4左右的都会取名Elmar。

    Telyt 现今徕卡生产的超望远镜头,不论光圈多少都会冠上这个名称。第一次出现这个名词是在1935年的Telyt 1:4.5/200mm。

    ROM Read Only Memo记忆读取功能(编辑注:应为只读存储器),在使用TTL闪光灯时,透过R8机身与镜头上的电子接点,可以得到更精确的曝光控制。在持续光摄影时,R8机身会透过镜头上的电子接点得知镜头的特性,在'P'智慧型自动程式时,会尽量使用较佳的光圈拍摄。

    腾龙镜头

    SP:Super Performance — 具备高性能规格的镜头; LD:采用低色散玻璃镜片;IF:内调焦,调焦时镜筒不会随之转动;

    ASL:采用非球面镜片,改善广角成像质量;LAH:采用LD混合非球面镜片; ASPH:采用复合型非球面镜片;AD:采用局部不规则折射率镜片;

    XR:采用高折射率镜片,在保证光通量和成像素质的前提下,大幅度缩小镜头体积和重量; ZL:配有全新变焦环锁定机构;Di:可以适用于数码相机,改善四角亮度和抗眩光;胶片机兼容;

    镜头剖面图颜色标志:品红色—非球面镜片;绿色—低色散镜片;蓝紫色—LD混合非球面镜片。

    图丽

    AT-X:Advanced Technology Extra — 特别先进技术设计的镜头; PRO:专业镜头,采用Armalite 硬铝合金制造;SZ-X:手动对焦镜头系列;

    SD:采用超低色散玻璃镜片,分为FK01和FK02两个等级;AS:采用非球面镜片,改善广角成像质量;

    IF:内调焦,调焦时镜筒不会随之转动; 镜头剖面图颜色标志:品色—非球面镜片;浅蓝色— FK02级低色散SD镜片;蓝色— FK01级超低色散SD镜片

    美能达镜头

    APO:美能达使用其低色散元件AD镜片进行复消色差,多数在高级长焦以及变焦镜头上使用;

    HS-APO:装备了高速电子设备以及传动装置的APO镜头;

    (D):具有距离解码信息的镜头,为ADI闪灯系统、矩阵测光系统提供距离信息,现在的(D)镜具有更宽的对焦环,而且在自动对焦时不会转动;

    G:美能达高档镜头的标志,是一系列顶级做工、用料的总称,通常具备以下一些特征:大光圈、AD镜片、圆形光圈、非球面镜片、浮动对焦系统、高质量的镜身等等;

    篇二:工业镜头和家用镜头的特点和区别

    工业镜头和家用镜头的特点和区别

    一、 工业镜头的特点及分类

    光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头,简称镜头,其功能就是光学成像。镜头是机器视觉系统中的重要组件,对成像质量有着关键性的作用,它对成像质量的几个最主要指标都有影响,包括:分辨率、对比度、景深及各种像差。镜头不仅种类繁多,而且质量差异也非常大,但一般用户在进行系统设计时往往对镜头的选择重视不够,导致不能得到理想的图像,甚至导致系统开发失败。

    工业镜头相当于人眼的晶状体,如果没有晶状体,人眼看不到任何物体;如果没有镜头,那么摄像头所输出的图像;就是白茫茫的一片,没有清晰的图像输出,这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的。当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时,也就是人们常说的近视眼,眼前的景物就变得模糊不清;摄像头与镜头的配合也有类似现象,当图像变得不清楚时,可以调整摄像头的后焦点,改变CCD芯片与工业镜头基准面的距离(相当于调整人眼晶状体的位置),可以将模糊的图像变得清晰。由此可见,镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道:设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距,施工人员经常进行现场调试,其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。

    1、工业镜头的安装尺寸,接口

    所有的摄像机镜头均是螺纹口的,CCD摄像机的镜头安装有两种工业标准,即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同,但两者从镜头到感光表面的距离不同。

    C安装座:从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm。

    C S安装座:特种C安装,此时应将摄像机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是12.5mm。如果要将一个C安装座镜头安装到一个C S安装座摄像机上时,则需要加装一个5mm厚的接圈。

    2、镜头的尺寸

    以摄像机镜头尺寸分镜头可以分为1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸

    摄像机镜头规格应视摄像机的CCD尺寸而定,两者应相对应。大概:

    ★ 摄像机的CCD靶面大小为1/2英寸时,镜头应选1/2英寸。

    ★ 摄像机的CCD靶面大小为1/3英寸时,镜头应选1/3英寸。

    ★ 摄像机的CCD靶面大小为1/4英寸时,镜头应选1/4英寸。

    如果镜头尺寸比摄像机CCD靶面尺寸大时,将使图像视野比镜头视野小,即不能很好地利用镜头的视野;如果镜头尺寸比摄像机CCD靶面尺寸小时,将发生“隧道效应”,即图像有圆形的黑框,像在隧道里拍的一样。

    监控相机一般都比较小,甚至小于1/3英寸;工业相机稍微大一些,一般1/2英寸到1英寸不等;传统的135相机底片比当前的一般感光芯片都大,36mm×24mm(1.4英寸×0.9英寸),画面对角线长度为43mm(1.7英寸),即是1.7英寸的,120中幅相机,其感光面尺寸有三种:45×60mm、60×60mm和90×60mm,可见画幅更大。

    3、镜头的光圈,F值

    光圈的主要作用是通过控制镜头光量的大小满足成像所需的合适照度。光圈越大,靶面成像照度越大,摄像机输出信号强度越大,信噪比越高。

    可以理解,通光孔径越大,通过的光量越大;但我们关心的是到达芯片的光量,而焦距越长,意味着芯片离镜头中心越远,相应的光就越弱,所以,标准光圈大小的参数应该与两个变量有关,孔径,焦距。

    光圈系数,即F值即是用来表征光圈的大小的参数。它等于镜头焦距f和通光孔径D之比。光通量与F值的平方成反比关系,F值越小,光通量越大。F值的规律是后一个值正好是前一个数值的√2 倍,所以,光圈调大一挡,光量减少2倍。常用值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等几个等级。

    一般光圈都可以调节,从而有手动光圈和自动光圈之分。

    手动光圈工业镜头是的最简单的工业镜头,适用于光照条件相对稳定的条件下,手动光圈由数片金属薄片构成。光通量靠镜头外径上的—个环调节。旋转此圈可使光圈收小或放大。在照明条件变化大的环境中或不是用来监视某个固定目标,应采用自动光圈工业镜头,比如在户外或人工照明经常开关的地方,自动光圈镜头的光圈的动作由马达驱动,马达受控于摄像机的视频信号。

    自动光圈工业镜头又有两类:一类是将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈,镜头本身包含放大器电路,用以将摄像头传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制,这称为视频(VIDEO)驱动型;另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈,称为直流(DC)驱动型,这种镜头只包含电流计式光圈马达,要求摄像头内有放大器电路。

    对于各类自动光圈工业镜头,通常还有两项可调整旋钮,一是ALC调节 (测光调节),有以峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择, 一般取平均测光档;另一个是LEVEL调节(灵敏度),可将输出图像变得明亮或者暗淡

    4、工业镜头的视角,焦距

    焦距的大小决定着视场角的大小,焦距数值小,视场角大,所观察的范围也大,但距离远的物体分辨不很清楚;焦距数值大,视场角小,观察范围小,只要焦距选择合适,即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的,一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角,所以在选择镜头焦距时,应该充分考虑是观测细节重要,还是有一个大的观测范围重要,如果要看细节,就选择长焦距镜头;如果看近距离大场面,就选择小焦距的广角镜头。

    1)焦距的计算:

    镜头的焦距,视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下:

    f=wL/W

    f:镜头焦距

    w:图象的宽度(被摄物体在ccd靶面上成象宽度)

    W:被摄物体宽度

    L:被摄物体至镜头的距离

    高度可以类比。

    2)视场角的计算:

    tg( ωH/2)=h/2f = W/L tg( ωV /2)=v /2f = H/L

    ωH:水平视场角

    ωV:垂直视场角

    f:镜头的焦距

    h:摄像机靶面的水平宽度

    v:摄像机靶面的垂直高度

    W:最大可见物体宽度的一半

    H:最大可见物体高度的一半

    L:被摄物体至镜头的距离

    垂直视角可以类比。

    3)镜头按视角分类

    镜头按视角分可以分为:

    标准镜头:视角3 0度左右,在1/2英寸CCD摄象机中,标准镜头焦距定为1 2 mm,在1/3英寸CCD摄像机中,标准镜头焦距定为8 mm。只所以称30度视角的镜头是标准镜头是因为人眼的有效视角大概是30度。

    广角镜头:视角9 0度以上,焦距可小于几毫米,可提供较宽广的视景。

    远摄镜头:视角2 0度以内,焦距可达几米甚至几十米,此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大,但使观察范围变小。

    4)镜头按焦距分类

    镜头从焦距上分为:

    短焦距镜头:因入射角较宽,可提供一个较宽广的视野。

    中焦距镜头:标准镜头,焦距的长度视C C D的尺寸而定。

    长焦距镜头:因入射角较狭窄,故仅能提供狭窄视景,适用于长距离监视。

    按焦距分类和按视角分类是对应的。

    5)定焦镜头和变焦镜头

    有些镜头的焦点是固定的,而有些镜头的焦点是可变的,这分别称为定焦镜头和变焦镜头。

    变焦镜头也常被成为变倍镜头,它的焦距连续可变,即可将远距离物体放大,同时又可提供一个宽广视景,使监视范围增加。变焦镜头有手动伸缩镜头和自动伸缩镜头两大类。典型的光学放大规格有6倍(6.0-36mm,F1.2)、8倍(4.5-36mm,F1.6)、1 0倍(8.0-80mm,F1.2)、12倍(6.0-72mm,F1.2)、2 0倍(10-200mm,F1.2)等档次,并以电动伸缩镜头应用最普遍。

    5、镜头的分辨率

    描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变,但对用户而言,需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率,以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位。

    6、特殊镜头

    在特殊的安全镜头族群中,值得一提的品种包括光纤镜头、管道镜头、分像镜头、拐角镜头、中继镜头、自动聚焦镜头、安定镜头和长程镜头。这些镜头各有所长,可以实现普通镜头所无法完成的特殊功能。

    1)光纤镜头和管道镜头

    设计难度较大的监控系统中往往需要使用粘连光纤束镜头。与通常用于视频信号传输的单模光纤和多模光纤不同,这种光纤束是由上千根单独的玻璃光纤粘连在一起组成的。它可以将物镜得到的光学图像传输到十几厘米到几米远的地方。中继镜头从光纤束处理到图像后,再将其传送到摄像机的传感器上。通过光纤镜头取得的画面,其质量不如通过普通镜头取得的画面好。因此,这种镜头只能用在普通镜头无法解决问题的场合。光纤镜头分为刚性和柔性两种。

    高分辨率(450线)的粘连光纤束中有几万根玻璃纤维,光学图像就是通过这些纤维从一端传输到另一段,每根光纤在光纤束两端的几何阵列中所处的位置完全相同。完整的“光纤镜头”除了包括这个光纤束外,还需要在前面加装成像用的物镜,在后端加装传递图像用的中继镜头(以便图像会聚到传感器上)。光纤镜头通常用于穿过厚墙对隔壁房间的监视,有时也用在必须将摄像机与镜头分开一端距离的场合。另一种常用的长距离采光镜头是管道(borescope)镜头。管道镜头由直径为0.04~0.5英寸、长6~30英寸的通光管、杆状镜头和多联式中继镜头共同组成。中间的镜头用于将物镜形成的光学图像传送给后面的镜头,进而传送到摄像机传感器上。单杆镜头使用的是独特的GRIN(graded index,渐变折射率)玻璃杆,光学图像在通过它之间能够重新聚焦。由于杆和镜头的直径都很小,只有少量的光线能透入摄像机内部,因此这种系统的光学速度较慢,通常为f/11和f/30。这一特性使得管道镜头只能与光线充足的场景和高灵敏度的摄像机配用。因为管道镜头中使用的都是玻璃透镜,它的图像质量比光纤镜头要好一些。

    2)分像镜头

    能够将两个单独场景同时成像的同一摄像机上的镜头称作分像镜头或双焦镜头。这种镜头使用两个分开的透镜或双焦镜头。这种镜头使用两个分开的透镜获取两个场景的图像后,再将其投射到摄像机的传感器上,其中的两个透镜焦距可能相同,也可能不同;可能朝向同一方向,也可能朝向不同的方向。

    分像镜头的转接器可以起到同样的作用。除了用于连接摄像机的接口外,转接器上还有两个C型接口或CS接口,可以连接两个普通镜头,从而实现“一机两景”。根据双焦镜头设计的不同,最后得到的双景图像可以是左右分割的,也可以是上下分割的。所以定焦镜头、变焦镜头、针孔镜头或其它镜头,只要其接口是C型或CS型的,就都可以用到这种转换器上。侧镜位置安装的可调式反射镜可以改变镜头观察的方向。在侧镜旁边再加装一只反射镜,就可以让两中镜头对准同一场景。在这种情况下,如果前镜使用广角镜头(6.5mm),侧镜使用狭角镜头(75mm),就构成一个双焦镜头,与之相连的摄像机可以同时看到

    同一场景的广角和狭角的图像。在左右分割时,每个镜头的水平视场都变为正常情况下的1/2(每个镜头只能使用传感器的一半宽度)。将分像镜头旋转90°,可以得到上下分割的图像。双焦镜头在监视器上形成的图像是倒转的,因此需要将摄像机倒转过来安装。

    三向光学分像镜头可以同时观察三个不同的场景。三分镜头主要用于观察丁字型走廊,但是也可以作其它用途。使用三分镜头,可以同时观察三个不同的场景(放大倍数可以相同,也可以不同),而这三个场景是显示在同一监视器上。这样,我们就节省了两只摄像机、两台监视器和一只画面分割器。每个场景占据在监视器屏幕的1/3面积。镜头上的可调光学器件允许分别调节三个物镜的仰角,以适用长短不同的走廊需要(长走廊镜头接近水平,短走廊需要镜头略微冲下)。与双分镜头一样,摄像机也要倒转安装。

    3)拐角镜头

    拐角镜头使得摄像机可以做贴墙式的安装,即摄像机与轴线与墙面相平行。

    在墙壁后面的空间比较有限的场合,像柜员机、天花板或升降机内,拐角镜头将会是一个很好的解决方案。拐角光学镜头使得2.6mm镜头的轴线变得与摄像机的轴线相垂直,因为2.6mm镜头的视场可以达到110°,所以使用反光镜来解决这个问题将是不可能的。因为平面反射镜无法将全部场景反射到摄像机镜头上。这种黑边(vignitting)现象将使得我们无法在监视器上看到场景的部分边缘。

    拐角转接器可以套接所有焦距的镜头,但镜头必须带有C型或CS型的接口。

    4)中继镜头

    中继镜头用来将镜头或粘连光纤束聚焦的光学图像传送到摄像机传感器上。这种镜头必须与其它物镜一起使用,其自身不能成像。在与光纤镜头配用时,它将光纤束输出端上面的图像投射到传感器上。与分像镜头或拐角镜头配用时,它也可以将双景图像或改向的图像投射到传感器上。中继镜头可以被看作是一个没有放大倍数的附加镜头,在与普通镜头配用时,它的主要作用是使得镜头和传感器之间的距离适当增大。

    5)自动聚焦镜头

    自动聚焦镜头在安全方面的应用相当有限,这是因为它的价格比普通的手动调焦镜头要昂贵。自动聚焦镜头主要用于便携式家用摄录机。这种机器所使用的镜头都是变焦镜头。

    自动聚焦技术共有三种:主动红外测距、超声波定位和固态三角测量。

    主动红外自动聚焦使用的是三角测量原理。镜头中有一个发光二极管,可以向变焦镜头场景中心区域发射一小束红外线。接收透镜将反射回来的红外光投射到镜头旁的两个硅探头上。镜头内的微处理器电路再根据镜头聚焦环的物理位置和CCD传感器上得来的数据计算出目标与摄像机之间的距离。之后,微处理器电路会控制变焦镜头上的电动聚焦环,使中心目标清晰地聚焦在传感器上。

    自动聚焦镜头不能适用于所有的工作场合。如果目标不反射红外光,或目标将所有红外光都反射到了其它方向,从而致使摄像机接收不到回光,或目标超出了系统的工作范围,都将无法触发系统的自动聚焦功能。

    6)安定镜头

    在安全系统中,当镜头和摄像机在观察场景时晃动或震动时,就需要使用安定镜头。安定镜头广泛应用在手提式摄录机、车载摄像机、空中平台摄像机和船载摄像机系统中。安定镜头可以抵消摄像机因风吹而引起的严重晃动。这种镜头系统内部设有活动光学器件,并通过这种器件的反向移动来抵消摄像机和场景之间相对移动。

    二、 家用镜头的分类及特点 1、镜头一般按照焦距大小分类:

    鱼眼镜头;微距镜头;广角镜头;标准镜头;长焦镜头;超长焦镜头;变焦镜头等;

    标准镜头:拍摄风景及人物都可以,介于广角与长焦之间;

    长焦镜头:拍摄远处人物特写及远处物体,如体育比赛;

    广角镜头:拍摄风景及大场面焦距无限远;

    鱼眼镜头:视角180度,畸变大,特殊用途;

    微距镜头:拍摄较小物体近距离拍摄如小蚂蚁等;

    超长焦镜头:可以拍摄月亮及星星;

    变焦镜头:焦距可以根据拍摄物体改变的镜头,可以拍出运动效果。

    三、工业镜头和家用镜头的区别

    1、清晰度不同

    镜头在成像面中心的分辨率是最高的,在边缘的差之。普通镜头在中心分辨率可以基本满足清晰度的同时,边缘的清晰度降低很多,总体清晰度可满足普通摄像机44万像素的要求。

    决定镜头清晰度的关键因素有三个:

    1)镜片材质和纯度。镜片的杂质越少,其产生的干扰光线越少,画面清晰度更高;

    2)镜片的研磨精度。镜片的研磨精度有研磨设备决定,目前国内镜头较国外镜头的差异就几种的这点上;

    3)镜片的镀膜精度。对镀膜工艺的精确控制也是镜头清晰度的决定因素之一。另外百万像素镜头采用非球面镜片,可减低像差,在相对于普通镜头提高清晰度的同时做到了小型化的设计;通过特殊的光学设计技术,从图像中心到周边部分的画质实现高解像力、高对比度的画面,比传统镜头提高了大约2.5倍以上的解像力,即使是在图像剪切或放大功能时,依然能保证高画质。

    2、光谱透射能力不同

    镜头的光谱透射能力也有助于画面清晰度的提高。宽频率光线的透射,将大大提高摄像机靶面的受光量。可增强画面的对比度和亮度,对画面的细节表现更丰富。

    3、光谱矫正能力不同

    只有宽光谱的透射能力对于高清晰成像还远远不够,如果镜头的光谱矫正能力不足,反而将使部分波长的光不能准确的在摄像机靶面上成像,致使虚像的产生。这种技术是普通镜片通过镀膜无法实现的。KOWA采用ED(超低色散)镜片,可以很好的解决此问题。例如KOWA的LMZ0812AMPDC-IR就是一款对应300万像素红外无偏焦镜头,可以将可见光和非可见光同时准确的在摄像机靶面上成像,得到高清的画面效果。

    中国机器视觉商城知名的百万像素工业镜头品牌有Computar、意大利OPTO、宾得等。各大镜头厂商均推出了不同焦距段的高清产品,给用户提供了更多的选择。随着ED镜片、自动聚焦等功能在高清镜头中的应用,使得高清产品成为市场的主流。

    篇三:机器视觉之镜头基础知识

    镜头基础知识

    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。

    镜头通常采用光圈数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=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围。由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 ' 的关系可表示为公式y ' =f ' tanW ' 公式中y ' 应该是像面区域的半径。

    目前,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

    线阵传感器也是由许多像素单元组成,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1K、2K、4K、8K、12K等,像素单元有5μm、7μm、10μm、14μm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,故又称之为广角镜头,视场角更大的又称为鱼眼镜头;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,甚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:

    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,

    图4 分辨率条纹

    分辨率为1/2d,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

    其倒数即为理想镜头的分辨率

    公式中,λ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5×5微米,则像元分辨率则为:

    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,在一对共轭的物像平面上,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y0 ' 之比的百分数来表示畸变称为相对畸变,即

    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y0 '

    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)所示的正方形网格,那么,由正畸变的光学系统所成的像呈枕形,如图5(b);由负畸变光学系统所成的像呈桶形,如图5(c)。图中虚线所示是理想像。

    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Δ1+Δ2。像平面A’为传感器靶面所在平面,其共轭平面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

    B1

    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

    景深的计算公式为:

    式中,Δ1和Δ2分别为远景深度和近景深度,p、p1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, δ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,目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前端面的距离。目前,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

    在光学系统中,最后一个光学镜片表面的顶点到像面的距离称为后截距(BFL:Back Focal Length),对于不同的光学系统,其后截距都是不一样的。因此在安装镜头时,需要调节镜头到相机的相对位置,使相机底片到镜头最后一面顶点的距离满足后截距的要求,即使底片位于镜头的像平面上。

    相机接口即为相机和镜头的连接方式,同时也保证了相机和镜头的相对位置。早期的相机一般采用螺纹接口。随着相机的不断发展,接口需要传递更多的数据信息,螺纹接口已不能满足相机的要求了。1959年,尼康、佳能、美能达这三大日本相机厂家各自推出了各自的相机接口,随后宾得、莱卡、奥林巴斯等其它厂家也相继推出的自己的相机接口。

    随着技术不断进步,相机功能不断完善,各个厂家的相机接口也几经变换。目前,常用的一些接口类型如下表

    在上表中,法兰后截距(Flange Back Focal Length)是指相机接口的定位面到底片的距离,它保证了镜头的像面与相机的底片重合。这样,不仅为相同接口的相机和镜头的连接提供了非常方便的方式,而且也为不同接口之间的相互转换提供了依据。

    光学系统的一些计算公式

    在选择镜头时,通常需要了解一些预先给出的条件,如物距或工作距离、放大倍率等,根据这些条件,可以大致近似推算出系统的一些主要参数,并以此作为选择镜头的参考。根据上述的高斯公式和放大率公式,我们可

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