長焦鏡頭
- 公司名稱 聯(lián)合光科技（北京）有限公司
- 品牌 聯(lián)合光科
- 型號
- 產(chǎn)地
- 廠商性質(zhì) 生產(chǎn)廠家
- 更新時間 2025/3/11 9:31:53
- 訪問次數(shù) 53
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| 供貨周期 | 現(xiàn)貨 | 應(yīng)用領(lǐng)域 | 綜合 |
|---|
長焦鏡頭介紹：
一般是指焦距比較長，視場角較小的定焦鏡頭。在某些應(yīng)用場景中，用戶需要觀測較遠的物體，在物體大小一致的情況下，往往需要用到小視場角的鏡頭。 需要指出是，是一個相對的概念。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，可以稱為長焦 鏡頭。
長焦鏡頭產(chǎn)品特點：
1. 長焦距設(shè)計，利于觀測遠距離的物體；
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400mm，最大像面達1"。
參數(shù)：
鏡頭是成像部件，它收集被觀測物體發(fā)出的光，在后方成像。鏡頭配合相機使用，相機是記錄鏡頭所成像的部件，相機本身不能成像。
鏡頭有許多參數(shù)，可以根據(jù)實際使用需求選擇合適的參數(shù)。
以下是鏡頭參數(shù)的解釋說明。
1. 焦距：
焦距是指鏡頭的光學中心（光學后主點）到成像面焦點的距離，平行光通過鏡頭匯聚于一點，這個點就是所說的焦點，是鏡頭的重要性能指標。
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角的大小，焦距數(shù)值小，觀察的范圍大；焦距數(shù)值大，視場角小，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：鏡頭最后一個鏡片表面頂點到焦點的距離。因?qū)箷r鏡頭后鏡片可能移動，一般標注無窮遠對焦時的后焦距，也就是最小后焦距，有限距離成像時后焦距會增大。
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。
F值衡量光學系統(tǒng)通光量的大小。
圖2：光圈與景深。
光圈的調(diào)節(jié)會有兩個主要影響：成像亮度與景深。
光圈越大，進入系統(tǒng)的光線越多，圖像亮度越高；光圈越小，進入系統(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。
視場角與傳感器尺寸有關(guān)，鏡頭的視場角應(yīng)標明標準傳感器尺寸。
| 傳感器尺寸 | 視場角 （對角×水平×垂直） | 對象大小 （在最近對焦距離處） |
| 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 |
使用某一款相機，在相同工作距離下拍攝，不同焦距的鏡頭也會有不同的視場角。
圖4：同款相機，相同工作距離，不同焦距的拍攝效果（注：圖中所標為水平視場角）。
視場角與焦距有關(guān)，如下圖片：視場角與鏡頭焦距。
圖5：鏡頭焦距與視場角。
理想的鏡頭成像，物平面與像平面上的放大倍率是固定的，但實際這一性質(zhì)只有在圖像中心區(qū)域的小視場才具備。圖像的放大倍率會隨著視場增大而變化，使成像產(chǎn)生失真。
鏡頭對被攝物體所成的像相對于物體本身的失真程度稱為畸變。
通常分為兩種：
枕形畸變：鏡頭成像畫面呈向中間收縮的失真現(xiàn)象。
桶形畸變：鏡頭成像畫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：
相機和鏡頭的連接方式即為鏡頭的光學接口，業(yè)內(nèi)對于光學接口已經(jīng)形成了標準的規(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上，F(xiàn)口用在大傳感器尺寸相機上。此外，還有線陣相機常用接口M42、M58、M72等，顧名思義這些就是某個直徑的螺紋口。
| 卡口 | 機身相場定位(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 |
鏡頭在像平面的成像是圓形，但接收圖像的傳感器通常為矩形，所以最終保存的圖像是矩形。鏡頭成像尺寸會以通用尺寸的傳感器設(shè)計，使得圓形像外接矩形傳感器，這個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，四個角會在鏡頭圓形像之外。
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，視場和視場角會變小。
| 傳感器尺寸 | 對角線長度/mm | 水平長度/mm | 豎直長度/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 |
入瞳直徑：孔徑光闌對前方光學系統(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系統(tǒng)所成的像；出瞳距離是出瞳與鏡頭最后一個鏡片表面的距離。
出瞳直徑：孔徑光闌對后方光學系統(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1號鏡片的光束只有一部分能進入2號鏡片，通過2號鏡片的光束只有一部分能進入3號光圈，所以3號光圈最終限制能進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際尺寸，而是通過前方或后方所有光學元件成像的大小。圖中，在A點觀測時，3號光圈被1號和2號透鏡放大成4號虛像，A點發(fā)出的光經(jīng)1號2號透鏡進入3號光圈，與光從A點直接進入4號等效。把光圈對兩個透鏡所成的4號像稱為入瞳。
孔徑光闌被前方光學系統(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系統(tǒng)所成的像，叫做出瞳，像的直徑為出瞳直徑。
8. 光學總長：
鏡頭第一片鏡片表面到像平面的距離。
圖10：光學總長。
是指物體通過鏡頭在焦平面上的成像大小與物體實際大小的比值。定焦鏡頭一般成倒像，放大倍率帶負號。
對同一個鏡頭而言，光學倍率與被拍攝物體距離鏡頭的遠近有關(guān)；在最短工作距離對焦時，光學倍率最大。
| 8mm 2/3" 5M 定焦鏡頭 對焦距離與放大倍率 | |||||||
| 對焦距離 | 放大倍率 | 前景深(mm) | 后景深(mm) | 對焦距離 | 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 |
景深=前景深+后景深。
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：
傳感器CRA：可以聚焦到像素上的光線的最大角度。超過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.金屬導線，c.光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。
圖中1號光線主光角超過傳感器CRA，光線無法到達光電轉(zhuǎn)換區(qū)域；2號3號主光角小于傳感器CRA，光線可以到達光電轉(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靠近的點的能力，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線對數(shù)，可以代表兩個點的靠近程度。傳遞函數(shù)代表反差即能分辨出兩個靠近點的程度。
傳感器分辨率一般指橫向與縱向像素數(shù)乘積，如500萬像素，傳感器橫向與縱向像素數(shù)為2560×1920。單個像素即像元的尺寸，與傳感器的尺寸和分辨率相對應(yīng)。可以根據(jù)表3傳感器尺寸除以像素數(shù)量，得到像元尺寸。如2/3" 500萬傳感器，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，線對尺寸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，并不能帶來更豐富的細節(jié)。
14. MTF曲線：
橫軸表示空間頻率，即每mm線對數(shù)。縱坐標表示傳遞函數(shù)，數(shù)值為1，線對對比明顯，可清晰分辨；數(shù)值為0，線對沒有反差無法分辨。圖14中有多條曲線，每條曲線都標注像高。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。
對焦與調(diào)焦的區(qū)別： 對焦過程不會改變視場角，即不會改變視場范圍，工作距離確定后對焦不會改變成像大小；變焦鏡頭調(diào)焦時會改變視場角（視場范圍，放大倍率，成像的大小），一般調(diào)焦完成，需要再次對焦成清晰的像。
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。
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