工业相机镜头的视场角、焦距、光圈和景深的关系

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工业相机镜头的视场角、焦距、光圈和景深的关系

2024-03-06 13:29| 来源: 网络整理| 查看: 265

        从相机镜头的磨砂玻璃看物体,当将镜头光圈开至最大,并对准无限远景物调焦时,在磨砂玻璃上呈现出的影像均位于一圆形面积内,而圆形外则漆黑,无影像。此有影像的圆形面积称为该镜头的最大像场。在这个最大像场范围的中心部位,有一能使无限远处的景物结成清晰影像的区域,这个区域称为清晰像场(区别于弥散圆)。照相机或摄像机的片窗一般都位于清晰像场之内,这一限定范围称为有效像场。

  像场角(像角):当把镜头对准无限远调焦时,凡是通过镜头主轴的平面,必与有效像场的边缘相交于两点,从这两点引两条直线相交于镜头的像方主点,所形成的夹角被称为有效像角。由于有效像场通常是长方形或正方形,因此有效像场角可归纳为三种,即水平像场角、垂直像场角和对角线像场角。

  视场角(视角):像场所对应的景物范围被称为视场,凡通过镜头主轴的平面,从与视场边缘相交的两点引直线至物方主点,同样形成三种视场角,即水平视场角、垂直视场角和对角线视场角。

           

            已可视范围直径计算视场角(左图1)         已摄像机靶面的尺寸计算视场角(右图2)

  当镜头位于空气介质中时,普通镜头的水平视角、垂直视角、对角线视角的数值,一般分别与该镜头的水平像角、垂直像角、对角线像角相等(某些鱼眼镜头除外)。摄像机镜头的视场角或像场角的计算公式为:

ω=2*arctan(a*c/s)

其中: s一物距; ac一镜头可视范围的半径; ω一视角。

        摄影镜头的视场角大小,主要取决于画幅的尺寸和镜头焦距的长短。如果画幅的尺寸已固定,那么视角的大小完全取决于镜头焦距的长短。即焦距与视角成反比关系。镜头的焦距愈短,则该镜头的视角就愈广;反之,镜头的视角就愈窄。

镜头的焦距与视角之间的关系如图3所示:

                                                                               图3

镜头的焦距与对角线视角之间的近似关系如下图4所示:

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                                                                           图4

        弥散圆:在靠近焦点处,光线开始聚集;在焦点前和后,光线开始扩散,点的影像变成模糊的,形成一个扩大的圆,这个圆就叫做弥散圆。摄像机成像的弥散圆如图5所示。焦点(像方)与镜头之间的容许弥散圆距离叫前焦深,与探测器靶面之间的容许弥散圆距离叫后焦深。焦深=前焦深+后焦深。通常,摄像机镜头的像方焦距越小,焦深越短。

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                                                                        图5

        现实当中,通过设备观察的影像是以某种方式(比如投影、放大成照片等等)来呈现的。人肉眼所能感受到的影像与其放大倍率、投影距离及观看距离有很大的关系,如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力,在一定范围内实际影像产生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆。        

        景深:通常在被摄物体(焦点)前后各有一个容许弥散圆,这两个弥散圆之间的距离就叫景深,即:在被摄主体(对焦点)前后,其影像仍然有一段清晰范围的,就是景深(如图6)。景深也可以简单理解为拍摄主体在感光元件(胶卷、CCD、CMOS)上的清晰成像范围。物方焦点到近处容许弥散圆的的距离叫前景深,从焦点到远方容许弥散圆的距离叫后景深。换言之,被摄体的前后纵深,呈现在底片侧的影像模糊程度,都与容许弥散圆的限定范围相关。

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                                                                               图6

        景深是一个光学概念。景深与镜头的焦距、光圈值、拍摄距离有关。对于焦距和拍摄距离固定时,使用光圈越小,也就是镜片的直径越小,景深越大,和镜头的通光量无关。光圈与景深的关系如图7所示。

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                                                                        图7

        光圈:也称为“相对通光口径”,相机的镜头用一个多个叶片组成的组件来控制进入镜头的光线强度。该镜头组件被称为光圈。经推理计算,得出规律:影像(在感光元件上的成像)的照度除了与景物本身的亮度和像的放大(或缩小)倍率有关系,还与镜头光圈的直径d的平方成正比;与镜头的焦距f成反比,d/f的值称之为镜头“相对通光孔径”,为方便把相对通光孔径的倒数f/d称为光圈数,也叫F数(焦径比)。因此,该比值越小,则光圈越大,在单位时间内的通光量越大。

        曝光:光圈是摄像机镜头中的可以改变中间孔大小的机械装置,快门是控制摄像机曝光时间长短的装置(机械或电子),二者结合,共同控制摄像机的曝光量。

        根据“1/像距=1/物距+1/焦距”的公式,物点与像点存在一一对应的关系,但这也是一个近似比值。实际上,物点前后的一段距离在感光原件上也可以清晰成像。

        拍摄时,景深与光圈,焦距的关系可以归纳如下:

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1、景深与光圈数F近似成正比关系。即F值越大(即相对通光孔径越小),景深越大。

2、景深与对焦距离L的平方近似成正比关系。即对焦距离对景深的影响比光圈更大,拍摄主体离相机越近,景深越短。通常在一个特定的物距之后到无限远的物体都可以清晰成像(具体物距由镜头的焦距和通光孔径决定,当然控制光圈的大小也可以决定这个物距的具体大小。),这段景深称之为“超焦距”。

3、景深与焦距f的平方近似成反比关系。即焦距对景深的影响也比光圈更大。使用广角焦段的景深大,视场角也越大;使用长焦焦段则更容易获得背景虚化,视场角也越小。

4、后景深要大于前景深。公式的后景深ΔL2分母部分小于前景深ΔL1分母部分,这表明后景深要大于前景深。 



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