鏡頭常見光學(xué)問題及原理

1.變焦與對(duì)焦變焦就是改變鏡頭的焦距（準(zhǔn)確說是像距），以改變拍攝的視角，也就是通常所說的把被攝體拉近或推遠(yuǎn)。例如18-55mm和70-200mm鏡頭就是典型的變焦鏡頭。焦距越長(zhǎng)，視角越窄。對(duì)焦通常指調(diào)整鏡片組和底片（傳感器平面）之間的距離，從而使被攝物在CCD/CMOS上成的像清晰。我們通常說的“調(diào)焦”一般指“對(duì)焦”。有些人認(rèn)為定焦鏡頭不能調(diào)焦的說法是錯(cuò)誤的。 ?

2.光圈與銳度追求成像的銳利應(yīng)該是所有鏡頭的追求。鏡頭的光圈值一般從F1.2-F32不等，例如F1.8-F16，對(duì)于普通的單反鏡頭來說，通常成像最銳利的光圈值是F5.6或者F8，為什么呢？這涉及到2個(gè)概念，一個(gè)是球差、一個(gè)是衍射。衍射，超小光圈處影響銳利度的因素。

衍射（diffraction）是指波遇到障礙物時(shí)偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象。在經(jīng)典物理學(xué)中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物后會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播。與之相關(guān)的概念有愛里斑、瑞利判據(jù)等。球差，大光圈處影響銳利度的因素。

我們通?？吹降耐哥R成像的簡(jiǎn)化圖中，平行光通過透鏡以后匯聚于一點(diǎn)，這點(diǎn)叫做焦點(diǎn)，其實(shí)真實(shí)的情況并非如此，如下圖所示。

光線既然不能完美匯聚，也就不可能產(chǎn)生銳利的成像。當(dāng)光圈大（光圈F值小）的時(shí)候，透鏡接收光的圓面很大，于是光線的匯聚處會(huì)非常分散，造成成像不銳利。當(dāng)光圈縮小的時(shí)候，透鏡接收光的圓面很小，這時(shí)候光線經(jīng)過透鏡以后，匯聚處相對(duì)來說更集中一些，這樣成像也就更加銳利了。一般來說對(duì)焦不會(huì)非常準(zhǔn)確，光圈小的時(shí)候景深更深，也會(huì)顯得更銳利。對(duì)于實(shí)際的鏡頭來說，鏡頭內(nèi)部的鏡片是很復(fù)雜的，可能有幾片甚至十幾片鏡片，有些鏡片的材質(zhì)還較為昂貴，例如螢石，它們的主要作用其實(shí)就是改善鏡頭的光學(xué)素質(zhì)，校正各種球差、彗差、色散、畸變等等。例如EF 200mm f/2L IS USM鏡頭如下圖所示。

3.微距鏡頭與遠(yuǎn)處對(duì)焦

其中，p是物距，p’是像距，f是焦距。以手機(jī)拍照舉例，你可以對(duì)半米遠(yuǎn)的茶杯對(duì)焦，也可以對(duì)50米外的高樓對(duì)上焦。但是有些定焦微距鏡頭卻不可以，例如它只能對(duì)10厘米處的物體對(duì)焦，在其他距離上都不能對(duì)上焦。從上面的公式可知，當(dāng)物距（p）很大的時(shí)候，1/p接近于0，此時(shí)焦距（平行光入射時(shí)從透鏡光心到光聚集之焦點(diǎn)的距離）約等于像距。也就是說此時(shí)焦點(diǎn)和像面（底片）重合。我們通常認(rèn)為定焦鏡頭的焦距不變，但值得注意的是焦距是在平行光入射的情況下定義的。另外一種準(zhǔn)確的說法是定焦鏡頭像距不變、視角不變。普通定焦鏡頭可以認(rèn)為焦距不變。例如50mm F1.8，它的最近對(duì)焦距離是450mm，物距比450mm小一點(diǎn)點(diǎn)。根據(jù)上面的公式，此時(shí)1/p就非常小了，可忽略，此時(shí)p’≈f，即焦點(diǎn)落在像面上?？烧J(rèn)為焦距基本不變。但是對(duì)于佳能“百微”和尼康“105微”這樣的微距鏡頭來說，最大放大比例是1倍，此時(shí)對(duì)焦距離就很近了，此時(shí)相對(duì)于焦距來說，1/p就不可以忽略了，這時(shí)算出來的實(shí)際的透鏡焦點(diǎn)到光心的距離就不等于之前的焦距了。對(duì)于“百微”和“105微”這樣的鏡頭來說，由于其極特殊的光學(xué)結(jié)構(gòu)，既可以在無窮遠(yuǎn)處合焦，也可以在很近的“不同”位置合焦。這是靠移動(dòng)鏡頭內(nèi)部的多組鏡片組實(shí)現(xiàn)的。以單反加裝近攝接圈為例，如果是50mm定焦鏡頭加近攝接圈，那么鏡頭的合焦距離就是一個(gè)確定的距離。如果是18-55mm變焦鏡頭加近攝接圈，那么鏡頭的合焦活動(dòng)范圍就是很小的一段距離。 ? 還是看之前的公式如下圖所示。

由于強(qiáng)行拉長(zhǎng)了法蘭距，像距p’必然變大很多。而焦點(diǎn)到光心的距離f基本變化不大，所以像距p會(huì)大大較小。假設(shè)加了接圈以后，像距p’=2f，那么此時(shí)p=2f，也就是只有物距等于2f的時(shí)候才能完美合焦。所以有些微距鏡頭不能在無窮遠(yuǎn)處對(duì)焦，變焦鏡頭加了接圈以后合焦活動(dòng)范圍有很小的一段距離，而不是固定的距離。（因?yàn)樽兘圭R頭的焦距變化范圍大一些）

4.無窮共軛鏡頭與有限共軛鏡頭共軛指的是某種互相對(duì)應(yīng)的2個(gè)點(diǎn)或者兩個(gè)元素，像點(diǎn)和物點(diǎn)就是一組共軛點(diǎn)。又涉及到兩個(gè)概念叫做入瞳和出瞳，在此不展開。無窮共軛鏡頭，像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處（可以理解為很遠(yuǎn)處），如下圖所示。

有限共軛鏡頭，像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)只能在有限的距離內(nèi)，如下圖所示。

一般來說，手機(jī)攝像頭、普通鏡頭都是無窮共軛鏡頭，而工業(yè)微距鏡頭大多是有限共軛鏡頭，像“百微”、“105微”這樣的奇葩，既可以是無窮共軛鏡頭，又可以使有限共軛鏡頭。

5.紅光與藍(lán)光解像力方面，藍(lán)光由于波長(zhǎng)更短，衍射效應(yīng)更弱，因此刻畫細(xì)節(jié)的能力更強(qiáng)，拍攝微小的物體，藍(lán)光是首選。而紅光呢，黑白CCD對(duì)紅光更敏感，但其實(shí)這優(yōu)勢(shì)并不大，或許在需要盡量減輕環(huán)境光干擾的時(shí)候，有一點(diǎn)作用。此外，紅光源的優(yōu)勢(shì)是價(jià)格比藍(lán)光源便宜一些。拍攝彩色物體方面，很多人認(rèn)為區(qū)分彩色物體一定需要彩色相機(jī)，其實(shí)不然。對(duì)于一幅RGB彩色圖，轉(zhuǎn)為有明暗變化的灰度圖時(shí)，遵循的公式通常是這樣的，結(jié)果亮度灰階值=30%紅色+59%綠色+11%藍(lán)色。也就是說，不同顏色的物體轉(zhuǎn)為灰色時(shí)，亮度是不一樣的。并且，當(dāng)你給物體打某種顏色的光的時(shí)候，再用黑白相機(jī)拍，得到的灰度圖片又不一樣，如下圖所示。

這里不使用彩色相機(jī)的原因是，首先不同相機(jī)價(jià)格差異因素是一方面，更重要的是，黑白圖片的數(shù)據(jù)量只有彩色圖片的1/3，這種差異就會(huì)體現(xiàn)在圖像處理的速度上。生產(chǎn)速度對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)來說是極為重要的。規(guī)律大致可以總結(jié)如下，用紅色光給彩色物體打光，然后用黑白相機(jī)拍攝，物體紅色的部分變成亮白色，物體白色部分變成淺灰色，跟紅色差異大的顏色則變成暗黑色，黑色還是黑色。還有一點(diǎn)需要注意的是，紅色光源通常要比藍(lán)色光源便宜。紅色LED光源制作簡(jiǎn)單，早就發(fā)明了出來，而藍(lán)色LED的研制則晚了許多，2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了3位曾經(jīng)在藍(lán)光LED研制方面做出卓越成就的科學(xué)家，由此可見一般。

? 6.工業(yè)領(lǐng)域與ISO參數(shù) 光圈、快門時(shí)間、ISO是取得合適曝光的三駕馬車，三者互相合作也互相制約。ISO通常取值為100-3200。ISO這個(gè)參數(shù)在工業(yè)機(jī)器視覺領(lǐng)域被換了個(gè)名字，叫做gain（增益），這個(gè)參數(shù)一般不用調(diào)。通常ISO越高，相機(jī)感應(yīng)光的能力越強(qiáng)，相應(yīng)的噪點(diǎn)也越多，畫質(zhì)也越差。對(duì)于每一個(gè)攝影師來說，絕大多數(shù)情況下，他都希望把ISO固定在100，因?yàn)檫@可以獲得最純凈的畫面，但這幾乎是不可能的。因?yàn)樵诎倒猸h(huán)境下，ISO太低，只能強(qiáng)行調(diào)大光圈，但是光圈是有限的，因此只能增加快門時(shí)間，但是快門時(shí)間一長(zhǎng)，手持拍攝必然糊片。但是在工業(yè)領(lǐng)域一般不存在這個(gè)問題（或者說這個(gè)問題是次要問題），一是因?yàn)楣I(yè)相機(jī)一般不動(dòng)，曝光時(shí)間很長(zhǎng)也不會(huì)糊片，另外，工業(yè)視覺設(shè)備光源自帶，幾乎不存在暗光環(huán)境。

? 7.光源與亮度首先，光源亮度高，快門時(shí)間就能降下來，有可能可以提高采圖速度。其次，光源亮度高，可以大大減輕環(huán)境雜光的影響。另外，光源亮度高，可以將光圈縮小，而通?？s小光圈可以得到更銳利的畫面和更大的景深，這些對(duì)于機(jī)器視覺系統(tǒng)來說是極為重要的。所以選擇光源的時(shí)候，光源亮度越高越好。

? 8.單顆像素質(zhì)量單顆像素指的是傳感器上的一顆像素，單顆像素質(zhì)量通常直接和像素顆粒的大小有關(guān)。例如有的相機(jī)的像素顆粒是5um×5um，而很多手機(jī)的像素顆粒大小是1.12um×1.12um，或者1.3um×1.3um，這個(gè)數(shù)值越大，表明單顆像素質(zhì)量越好。主要原因是，像素之間存在電訊干擾，像素顆粒越小，那么相當(dāng)于相鄰像素的間距越小，那么越容易產(chǎn)生相互干擾，帶來的結(jié)果是畫質(zhì)純凈度的下降。