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鏡頭的基本結(jié)構(gòu)
我從前看到鏡頭結(jié)構(gòu)圖(也包括MTF)是繞著走的。其實(shí)現(xiàn)在基本也是。確實(shí)看不出啥和實(shí)際使用效果有關(guān)的東西。但是結(jié)構(gòu)圖對(duì)鏡頭設(shè)計(jì)者就很有用了。能看出來(lái)很多東西。特別的是，能看出這個(gè)鏡頭的淵源。以下是小編整理的鏡頭的基本結(jié)構(gòu)，歡迎大家借鑒與參考，希望對(duì)大家有所幫助。
鏡頭的基本結(jié)構(gòu)
鏡頭不是憑空設(shè)計(jì)的。雖然我們現(xiàn)在有了很好的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，但從頭設(shè)計(jì)一個(gè)鏡頭，拋棄掉前人上百年的成果，仍然是不太現(xiàn)實(shí)的。但是鏡頭設(shè)計(jì)師也不會(huì)從本來(lái)就很差的鏡頭處起步設(shè)計(jì)。他們總是選擇比較好的鏡頭。所以，在這一百多年的時(shí)間里，大浪淘沙加上市場(chǎng)選擇，就出現(xiàn)6種影響特別大的光學(xué)設(shè)計(jì)�，F(xiàn)在的鏡頭都是從它們那里繼承下來(lái)的。
這六種光學(xué)設(shè)計(jì)分別是Petzval人像鏡頭、快速直線鏡頭、雙高斯鏡頭、望遠(yuǎn)鏡頭、反望遠(yuǎn)(后對(duì)焦)鏡頭和庫(kù)克三片鏡頭。下面分別簡(jiǎn)介一下這幾個(gè)鏡頭。
我從前寫過(guò)一個(gè)帖子，是關(guān)于像差的。最好是看這篇帖子前看下那篇。否則很可能會(huì)看暈。
Petzval鏡頭
這就是Voigitlander發(fā)家的東西。不過(guò)，他是從Petzval處偷來(lái)的設(shè)計(jì)。發(fā)明于1850年之前。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)已經(jīng)不太用了，但直到20世紀(jì)50年代，都是很廣泛使用的。比如投影機(jī)�！胺糯箢^”是不是也是這種?
快速直線鏡頭
它的特點(diǎn)就是對(duì)稱于光圈。因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，它的變形、慧差和平面色差都處理得很好。然后它比較容易有球差、場(chǎng)曲和像散。
快速直線鏡頭發(fā)明于1860年代。因?yàn)樗鼪](méi)有啥變形，所以非常適合建筑和風(fēng)光攝影。直到1900年代，都是很流行的。我估計(jì)這也就是Eugene Atget用的鏡頭了。
它的傳人很多。最有名的就是蔡司Protar和后來(lái)的Tessar了。Tessar之后又發(fā)展出了一堆好鏡頭，不過(guò)這是后話了。在庫(kù)克三片鏡頭的時(shí)候會(huì)涉及到。
雙高斯鏡頭
雖然叫“高斯”，但這個(gè)鏡頭設(shè)計(jì)其實(shí)是和高斯沒(méi)多少關(guān)系的。高斯只是計(jì)算和描述了這個(gè)概念，而且他還是針對(duì)望遠(yuǎn)鏡說(shuō)的。這個(gè)鏡頭最早是1888年出現(xiàn)的，是在高斯死了30多年之后了。
雙高斯的特點(diǎn)是對(duì)稱于光圈(早期的鏡頭其實(shí)都是這么設(shè)計(jì)的，否則像差會(huì)不得了)，而且它還使用了全部弧形和分離的鏡片(這點(diǎn)和快速直線鏡頭不同)，這使得它能做到很大的光圈，而且把場(chǎng)曲和色散的問(wèn)題基本避免了。不過(guò)它也容易產(chǎn)生像散和球差。
今天，基本上50mm的定焦鏡頭全都是這個(gè)設(shè)計(jì)的。天才的蔡司設(shè)計(jì)師蘭道夫博士在雙高斯的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)，就形成了Planar結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，Protar和Tessar也是他設(shè)計(jì)的。Planar結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)雙高斯，是現(xiàn)在50mm甚至更長(zhǎng)一些鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)了。大中畫幅和RF上這種結(jié)構(gòu)更是常見�？纯聪旅娴慕Y(jié)構(gòu)圖就很清楚了。
望遠(yuǎn)鏡頭
“望遠(yuǎn)”在這里的準(zhǔn)確定義應(yīng)該是“鏡頭的實(shí)際長(zhǎng)度小于焦距”。這個(gè)結(jié)構(gòu)是1880年代發(fā)明的，雖然它真正廣泛的使用要到1920年代了。
望遠(yuǎn)鏡頭都是通過(guò)一個(gè)正鏡片在前，一個(gè)負(fù)鏡片在后達(dá)成長(zhǎng)焦距的。望遠(yuǎn)鏡頭后面的負(fù)鏡片其實(shí)是放大了畫面，所以你說(shuō)它就是一個(gè)內(nèi)置了增距鏡的鏡頭也不無(wú)不可。所以它的光圈也很受限制，就算是要做大，成本也很高(想想200/2和600/4吧)。它也容易有桶狀畸變和軸向色散。所以好的望遠(yuǎn)鏡頭里通常會(huì)有許多超低色散玻璃或螢石。
基本上超過(guò)135mm的SLR鏡頭都是望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)。餅干頭或特別小的鏡頭也會(huì)用到這個(gè)結(jié)構(gòu)，來(lái)減小鏡頭的體積。
反望遠(yuǎn)(后對(duì)焦)鏡頭
這種鏡頭和望遠(yuǎn)鏡頭的結(jié)構(gòu)剛好是反著的，就是負(fù)鏡片在前，正鏡片在后。它的特點(diǎn)就是：讓焦距可以小于鏡后距。因?yàn)殓R后距就是鏡頭的物理長(zhǎng)度的最低限制，不能再小了。它的缺點(diǎn)也很多：場(chǎng)曲、慧差、平面色散、變形都有。
這種鏡頭最早是Anegenieux在20世紀(jì)20年代為一種攝影機(jī)研制的。因?yàn)檫@種攝影機(jī)的棱鏡限制了鏡后距。不過(guò)它真正的興起是因?yàn)镾LR：SLR的反光鏡決定了鏡后距不能太小。所以想要做廣角鏡頭。這種結(jié)構(gòu)是必須的。
在下面這個(gè)圖就可以看出為啥廣角那么貴了。這是蔡司的21/2.8鏡頭剖面圖。大家可以看到里面的復(fù)雜程度。而50mm的頭是要簡(jiǎn)單得多的。所以廣角頭經(jīng)常很貴很大，畫質(zhì)還不咋樣，就是因?yàn)樗墓鈱W(xué)設(shè)計(jì)限制了。比較小鏡后距的機(jī)器(比如RF和微單)，這個(gè)問(wèn)題就要小。
庫(kù)克三片式鏡頭
這種鏡頭是這六種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)里最重要的。因?yàn)樗亲兘沟幕尽?/p>
這種鏡頭是1890年代由英國(guó)的鏡頭設(shè)計(jì)師Dennis Taylor設(shè)計(jì)的。這種鏡頭對(duì)常見的7種相差都有不錯(cuò)的抑制。但最神奇的是，通過(guò)移動(dòng)它中間的鏡片的位置，它的焦距和光圈都會(huì)改變。這是它最大的特點(diǎn)，現(xiàn)在的變焦鏡頭都是或多或少采用了這種結(jié)構(gòu)。比如下面的第一個(gè)變焦鏡頭，Voigtlander Zoomar。至于它的后續(xù)就太多了。什么Sonnar, Elemar, Triotar，望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡也經(jīng)常用這個(gè)結(jié)構(gòu)。
通過(guò)下面幾個(gè)例子我們可以看到現(xiàn)代的鏡頭是如何利用了上面的幾種基本設(shè)計(jì)。
首先是廣角變焦頭。明顯的后對(duì)焦設(shè)計(jì)。前面是彎曲的負(fù)鏡片，后面則是正鏡片。然后它們也有類似的問(wèn)題：雖然用了很多鏡片，但邊角的像差糾正不是那么好。
然后是望遠(yuǎn)變焦鏡頭�？梢园l(fā)現(xiàn)，它們都是用了望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)。前面是正鏡片，后面是負(fù)鏡片。
第三是標(biāo)準(zhǔn)變焦。這種鏡頭主要用的是比較弱的后對(duì)焦設(shè)計(jì)。所以它通常無(wú)法突破135mm。超過(guò)這個(gè)焦距，就要用到望遠(yuǎn)設(shè)計(jì)了。
最后是我們常說(shuō)的“大變焦”。它的結(jié)構(gòu)從哪種結(jié)構(gòu)來(lái)的很難看出來(lái)，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)太復(fù)雜了。必須同時(shí)兼具后對(duì)焦、望遠(yuǎn)、庫(kù)克三片的特點(diǎn)。人是無(wú)法設(shè)計(jì)出來(lái)的。必須靠電腦。所以它的畫質(zhì)也不能和結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的鏡頭比。
拓展：鏡頭的參數(shù)指標(biāo)
1.鏡頭的相關(guān)參數(shù)
(1)焦距
焦距是光學(xué)鏡頭的重要參數(shù)，通常用f來(lái)表示。焦距的大小決定著視場(chǎng)角的大小，焦距數(shù)值小，視場(chǎng)角大，所觀察的范圍也大，但距離遠(yuǎn)的物體分辨不很清楚；焦距數(shù)值大，視場(chǎng)角小，觀察范圍小，只要焦距選擇合適，即便距離很遠(yuǎn)的物體也可以看得清清楚楚。由于焦距和視場(chǎng)角是一一對(duì)應(yīng)的，一個(gè)確定的焦距就意味著一個(gè)確定的視場(chǎng)角，所以在選擇鏡頭焦距時(shí)，應(yīng)該充分考慮是觀測(cè)細(xì)節(jié)重要，還是有一個(gè)大的觀測(cè)范圍重要，如果要看細(xì)節(jié)，就選擇長(zhǎng)焦距鏡頭；如果看近距離大場(chǎng)面，就選擇小焦距的廣角鏡頭。
(2)光闌系數(shù)
即光通量，用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來(lái)衡量。每個(gè)鏡頭上都標(biāo)有最大F值，例如6mm/F1.4代表最大孔徑為4.29毫米。光通量與F值的平方成反比關(guān)系，F(xiàn)值越小，光通量越大。鏡頭上光圈指數(shù)序列的標(biāo)值為1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22等，其規(guī)律是前一個(gè)標(biāo)值時(shí)的曝光量正好是后一個(gè)標(biāo)值對(duì)應(yīng)曝光量的2倍。也就是說(shuō)鏡頭的通光孔徑分別是1/1.4，1/2，1/2.8，1/4，1/5.6，1/8，1/11，1/16，1/22，前一數(shù)值是后一數(shù)值的根號(hào)2倍，因此光圈指數(shù)越小，則通光孔徑越大，成像靶面上的照度也就越大。
(3)景深
攝影時(shí)向某景物調(diào)焦，在該景物的前后形成一個(gè)清晰區(qū)，這個(gè)清晰區(qū)稱為全景深，簡(jiǎn)稱景深。 決定景深的三個(gè)基本因素：
光圈 光圈大小與景深成反比，光圈越大，景深越小。
焦距 焦距長(zhǎng)短與景深成反比，焦距越大，景深越小。
物距 物距大小與景深成正比，物距越大，景深越大。
(4)光譜特性
光學(xué)鏡頭的光譜特性主要指光學(xué)鏡頭對(duì)各波段光線的透過(guò)率特性。在部分機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中，要求圖像的顏色應(yīng)與成像目標(biāo)的顏色具有較高的一致性。因此希望各波段透過(guò)光學(xué)鏡頭時(shí)，除在總強(qiáng)度上有一定損失外，其光譜組成并不發(fā)生改變。
影響光學(xué)鏡頭光譜特性的主要因素為：膜層的干涉特性和玻璃材料的吸收特性。在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，為了充分利用鏡頭的分辨率，鏡頭的光譜特性應(yīng)與使用條件相匹配。即：要求鏡頭最高分辨率的光線應(yīng)與照明波長(zhǎng)、CCD器件接受波長(zhǎng)相匹配，并使光學(xué)鏡頭對(duì)該波長(zhǎng)的光線透過(guò)率盡可能的提高。
(5)鏡頭的分辨率
描述鏡頭成像質(zhì)量的內(nèi)在指標(biāo)是鏡頭的光學(xué)傳遞函數(shù)與畸變，但對(duì)用戶而言，需要了解的僅僅是鏡頭的空間分辨率，以每毫米能夠分辨的黑白條紋數(shù)為計(jì)量單位，計(jì)算公式為：鏡頭分辨率Ｎ＝180／畫幅格式的高度。由于攝像頭CCD靶面大小已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，如1/2英寸攝像頭，其靶面為寬6.4mm＊高4.8mm，1/3英寸攝象機(jī)為寬4.8mm＊高3.6mm。因此對(duì)1/2英寸格式的CCD靶面，鏡頭的最低分辨率應(yīng)為38對(duì)線／mm，對(duì)1/3英寸格式攝像頭，鏡頭的分辨率應(yīng)大于50對(duì)線，攝像頭的靶面越小，對(duì)鏡頭的分辨率越高。
(6) 光圈或通光量
鏡頭的通光量以鏡頭的焦距和通光孔徑的比值來(lái)衡量，以Ｆ為標(biāo)記，每個(gè)鏡頭上均標(biāo)有其最大的Ｆ值，通光量與Ｆ值的平方成反比關(guān)系，Ｆ值越小，則光圈越大。所以應(yīng)根據(jù)被監(jiān)控部分的光線變化程度來(lái)選擇用手動(dòng)光圈還是用自動(dòng)光圈鏡頭。
(7)鏡頭接口
鏡頭和攝像頭之間的接口有許多不同的類型，工業(yè)攝像頭常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徠卡接口、M42接口、M50接口等。接口類型的不同和鏡頭性能及質(zhì)量并無(wú)直接關(guān)系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各種常用接口之間的轉(zhuǎn)接口。
以鏡頭安裝分類所有的攝像頭鏡頭均是螺紋口的，CCD攝像頭的鏡頭安裝有兩種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是C-mount 和 CS-mount。兩者都有一個(gè)1英寸長(zhǎng)的螺紋，但兩者不同在于鏡頭安裝到攝像頭后，鏡頭到傳感器之間的距離：
CS-mount： 圖像傳感器到鏡頭之間的距離應(yīng)為12.5 mm
C-mount： 圖像傳感器到鏡頭之間的距離應(yīng)為17.5 mm。一個(gè)5 mm的墊圈(C/CS 連接環(huán)) 可用于將C-mount 鏡頭轉(zhuǎn)換為CS-mount 鏡頭
2.鏡頭各參數(shù)間的相互影響關(guān)系
(1)焦距大小的影響情況：
焦距越小，景深越大；
焦距越小，畸變?cè)酱螅?/p>
焦距越小，漸暈現(xiàn)象越嚴(yán)重，使像差邊緣的照度降低；
(2)光圈大小的影響情況：
光圈越大，圖像亮度越高；
光圈越大，景深越小；
光圈越大，分辨率越高；
(3)像場(chǎng)中央與邊緣
一般像場(chǎng)中心較邊緣分辨率高；
一般像場(chǎng)中心較邊緣光場(chǎng)照度高；
(4)光波長(zhǎng)度的影響：
在相同的攝像頭及鏡頭參數(shù)條件下，照明光源的光波波長(zhǎng)越短，得到的圖像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置測(cè)量的視覺(jué)系統(tǒng)中，盡量采用短波長(zhǎng)的單色光作為照明光源，對(duì)提高系統(tǒng)精度有很大的作用。
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