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相机镜头光学中的一些疑难问题的解释
发表时间:2018-11-19

1、变焦和对焦有什么区别?

变焦就是改变镜头的焦距(准确说是像距),以改变拍摄的视角,也就是通常所说的把被摄体拉近或推远。例如18-55mm和70-200mm镜头就是典型的变焦镜头。焦距越长,视角越窄

对焦通常指调整镜片组和底片(传感器平面)之间的距离,从而使被摄物在CCD/CMOS上成的像清晰。

我们通常说的“调焦”一般指“对焦”。有些人认为定焦镜头不能调焦的说法是错误的。

 

2、为什么镜头的最大光圈处通常成像不佳,或者说“成像比较肉”?

追求成像的锐利应该是所有镜头的追求。镜头的光圈值一般从F1.2 - F32不等,例如F1.8 - F16,对于普通的单反镜头来说,通常成像最锐利的光圈值是F5.6或者F8,为什么呢?这涉及到2个概念,一个是球差、一个是衍射。

衍射:超小光圈处影响锐利度的因素。

衍射(diffraction)是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。在经典物理学中,波在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后会发生不同程度的弯散传播。

与之相关的概念有爱里斑、瑞利判据,感兴趣的可以自行搜索,在此不再展开。

球差:大光圈处影响锐利度的因素。

我们通常看到的透镜成像的简化图中,平行光通过透镜以后汇聚于一点,这点叫做焦点,其实真实的情况并非如此。如下图所示:

光线既然不能完美汇聚,也就不可能产生锐利的成像。当光圈大(光圈F值小)的时候,透镜接收光的圆面很大,于是光线的汇聚处会非常分散,造成成像不锐利。当光圈缩小的时候,透镜接收光的圆面很小,这时候光线经过透镜以后,汇聚处相对来说更集中一些,这样成像也就更加锐利了。

当然一般来说对焦不会非常准确,光圈小的时候景深更深,也会显得更锐利,但这是后话了。

当然,对于实际的镜头来说,镜头内部的镜片是很复杂的,可能有几片甚至十几片镜片,有些镜片的材质还较为昂贵,例如萤石,它们的主要作用其实就是改善镜头的光学素质,校正各种球差、彗差、色散、畸变等等。

例如EF 200mm f/2L IS USM镜头:

3、为什么工业领域绝口不提ISO这个参数?

做工业机器视觉的工程师一般都知道光圈、快门(曝光时间),但你要问他什么是ISO,他多半不知道。工业机器视觉领域有没有ISO这个参数呢?有的,只不过换了个名字,叫做gain(增益),这个参数一般没人调它,一般也不用调。

光圈、快门时间、ISO是取得合适曝光的三驾马车,三者互相合作也互相制约。ISO通常取值为100-3200。

通常ISO越高,相机感应光的能力越强,相应的噪点也越多,画质也越差。对于每一个摄影师来说,绝大多数情况下,他都希望把ISO固定在100,因为这可以获得最纯净的画面,但这几乎是不可能的。因为在暗光环境下,ISO太低,只能强行调大光圈,但是光圈是有限的,因此只能增加快门时间,但是快门时间一长,手持拍摄必然糊片。

但是在工业领域一般不存在这个问题(或者说这个问题是次要问题),一是因为工业相机一般不动,曝光时间很长也不会糊片,另外,工业视觉设备光源自带,几乎不存在暗光环境。

 

4、为什么是光源的亮度越高越好?

高亮度光源至少有这些好处:光源亮度高,快门时间就能降下来,有可能可以提高采图速度;其次光源亮度高,可以大大减轻环境杂光的影响;另外,光源亮度高,可以将光圈缩小,而通常缩小光圈可以得到更锐利的画面和更大的景深,这些对于机器视觉系统来说是极为重要的。所以选择光源的时候,光源亮度越高越好。

 

5、什么是单颗像素质量?

单颗像素指的是传感器上的一颗像素,单颗像素质量通常直接和像素颗粒的大小有关。例如有的相机的像素颗粒是5um × 5um,而很多手机的像素颗粒大小是1.12um × 1.12um,或者1.3um × 1.3um,这个数值越大,表明单颗像素质量越好。

主要原因是,像素之间存在电讯干扰,像素颗粒越小,那么相当于相邻像素的间距越小,那么越容易产生相互干扰,带来的结果是画质纯净度的下降。

好比一个小广场有1000个大妈在跳广场舞,每个人只分到1㎡的空间,这么挤大妈们很可能要干架,但是如果只有10个大妈在跳广场舞,那么就宽敞舒服多了,说不定跳完广场舞还可以摆3张桌子打打斗地主,当然剩下一个可以等轮换。