镜头常见光学问题及原理

1.变焦与对焦 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.光圈与锐度 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、瑞利判据等。 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。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。 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镜头如下图所示。

3.微距镜头与远处对焦

其中，p是物距，p’是像距，f是焦距。 以手机拍照举例，你可以对半米远的茶杯对焦，也可以对50米外的高楼对上焦。但是有些定焦微距镜头却不可以，例如它只能对10厘米处的物体对焦，在其他距离上都不能对上焦。从上面的公式可知，当物距（p）很大的时候，1/p接近于0，此时焦距（平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离）约等于像距。也就是说此时焦点和像面（底片）重合。 我们通常认为定焦镜头的焦距不变，但值得注意的是焦距是在平行光入射的情况下定义的。另外一种准确的说法是定焦镜头像距不变、视角不变。 普通定焦镜头可以认为焦距不变。例如50mm F1.8，它的最近对焦距离是450mm，物距比450mm小一点点。根据上面的公式，此时1/p就非常小了，可忽略，此时p’≈f，即焦点落在像面上。可认为焦距基本不变。但是对于佳能“百微”和尼康“105微”这样的微距镜头来说，最大放大比例是1倍，此时对焦距离就很近了，此时相对于焦距来说，1/p就不可以忽略了，这时算出来的实际的透镜焦点到光心的距离就不等于之前的焦距了。对于“百微”和“105微”这样的镜头来说，由于其极特殊的光学结构，既可以在无穷远处合焦，也可以在很近的“不同”位置合焦。这是靠移动镜头内部的多组镜片组实现的。 以单反加装近摄接圈为例，如果是50mm定焦镜头加近摄接圈，那么镜头的合焦距离就是一个确定的距离。如果是18-55mm变焦镜头加近摄接圈，那么镜头的合焦活动范围就是很小的一段距离。   还是看之前的公式如下图所示。

由于强行拉长了法兰距，像距p’必然变大很多。而焦点到光心的距离f基本变化不大，所以像距p会大大较小。假设加了接圈以后，像距p’=2f，那么此时p=2f，也就是只有物距等于2f的时候才能完美合焦。所以有些微距镜头不能在无穷远处对焦，变焦镜头加了接圈以后合焦活动范围有很小的一段距离，而不是固定的距离。（因为变焦镜头的焦距变化范围大一些）

4.无穷共轭镜头与有限共轭镜头 共轭指的是某种互相对应的2个点或者两个元素，像点和物点就是一组共轭点。又涉及到两个概念叫做入瞳和出瞳，在此不展开。 无穷共轭镜头，像点对应的物点在无穷远处（可以理解为很远处），如下图所示。

有限共轭镜头，像点对应的物点只能在有限的距离内，如下图所示。

一般来说，手机摄像头、普通镜头都是无穷共轭镜头，而工业微距镜头大多是有限共轭镜头，像“百微”、“105微”这样的奇葩，既可以是无穷共轭镜头，又可以使有限共轭镜头。

5.红光与蓝光 解像力方面，蓝光由于波长更短，衍射效应更弱，因此刻画细节的能力更强，拍摄微小的物体，蓝光是首选。而红光呢，黑白CCD对红光更敏感，但其实这优势并不大，或许在需要尽量减轻环境光干扰的时候，有一点作用。此外，红光源的优势是价格比蓝光源便宜一些。 拍摄彩色物体方面，很多人认为区分彩色物体一定需要彩色相机，其实不然。对于一幅RGB彩色图，转为有明暗变化的灰度图时，遵循的公式通常是这样的，结果亮度灰阶值=30%红色+59%绿色+11%蓝色。也就是说，不同颜色的物体转为灰色时，亮度是不一样的。并且，当你给物体打某种颜色的光的时候，再用黑白相机拍，得到的灰度图片又不一样，如下图所示。

这里不使用彩色相机的原因是，首先不同相机价格差异因素是一方面，更重要的是，黑白图片的数据量只有彩色图片的1/3，这种差异就会体现在图像处理的速度上。生产速度对于工业生产来说是极为重要的。规律大致可以总结如下，用红色光给彩色物体打光，然后用黑白相机拍摄，物体红色的部分变成亮白色，物体白色部分变成浅灰色，跟红色差异大的颜色则变成暗黑色，黑色还是黑色。 还有一点需要注意的是，红色光源通常要比蓝色光源便宜。红色LED光源制作简单，早就发明了出来，而蓝色LED的研制则晚了许多，2014年的诺贝尔物理学奖授予了3位曾经在蓝光LED研制方面做出卓越成就的科学家，由此可见一般。

  6.工业领域与ISO参数 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。ISO这个参数在工业机器视觉领域被换了个名字，叫做gain（增益），这个参数一般不用调。 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。

  7.光源与亮度 首先，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。

  8.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。

审核编辑：黄飞