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      光學基礎

        1. CCD的尺寸

        其實是說感光器件的面積大小,這里就包括了CCD和CMOS。感光器件的面積越大,也即CCD/CMOS面積越大,捕獲的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。CCD/CMOS是數碼相機用來感光成像的部件,相當于光學傳統相機中的膠卷。

        在數碼相機性能規格表中用英寸表示并不是CCD的真實尺寸,但可以使用一個簡單而實用的方法求得CCD的真實尺寸。鏡頭的真實焦距與相當(等效)焦距在數碼相機或使用說明書上一般都會列出,而相當于35mm照相機的焦距與真實焦距之比,即為35mm照相機的畫幅對角線尺寸與CCD的實際對角線長度比,由此可以方便計算出CCD的真實尺寸。

       

       

       

       

        2. MTF值與鏡頭成像質量

        MTF(光學傳遞函數)是全面評價攝影鏡頭的最佳方法, 是鏡頭傳遞調制度的能力,或者說是鏡頭“記錄、還原調制度的能力”。鏡頭的 MTF 值,可以反映鏡頭除了畸變以外的所有像差,而且與實際成像結果非常吻合。一般來說反差高的鏡頭,其對同一景物所成影像的對比度也高。因而影像的調制度也高,即鏡頭的 MTF 值高。鏡頭的成像品質是影友們最為關心,也是爭論最多的話題,雖然各種針對鏡頭成像素質的測試方法層出不窮,但由于測試條件千差萬別,因此這些方法都不能非常準確地反應鏡頭的真實品質。與媒體拍攝分辨率標板的測試方法相比,MTF 成像曲線圖是由鏡頭的生產廠家在極為客觀嚴謹的測試環境下測得并對外公布的,是鏡頭成像品質最權威、最客觀的技術參考依據。下面就來介紹MTF 曲線的技術原理和解讀方法.

        測量反差與分辨率

        眾所周知,對數碼照片成像素質影響最大的是鏡頭的分辨率和反差。分辨率的單位是線對/ 毫米(lp/mm),相鄰的黑白兩條線可以稱為一個線對,每毫米能夠分辨出的線對數就是分辨率。如何測試鏡頭的分辨率和反差呢?廠商利用拍攝正弦光柵(測試標板中的黑白相間的柵格)的方法進行測試,亮度按正弦變化的周期圖形叫做“正弦光柵”。而正弦光柵的疏密程度被稱為“空間頻率”(Spatial Frequency),空間頻率的單位用lp/mm 表示。lp/mm 標識單位長度( 每毫米) 的亮度按照正弦變化的圖形的周期數。

        反差與正弦光柵分辨率

        

        我們再回過頭來看反差。

        反差 =( 照度的最大值-照度的最小值) /( 照度的最大值 + 照度的最小值)。

        所以,反差的數值總是小于等于1 的。這里我們引入調制度M 的概念:

        M=(Imax - Imin)/(Imax + Imin)

        調制度M 總是介于0 和1 之間,調制度越大,反差越大。在對鏡頭的反差和分辨率進行測試時,我們將正弦光柵置于鏡頭前方,測量鏡頭成像處的調制度。這時由于鏡頭像差的影響,會出現以下情況。當空間頻率很低時,測量出的調制度M 幾乎等于正弦光柵的調制度;當所拍攝的正弦光柵空間頻率提高時,鏡頭成像的調制度逐漸下降。鏡頭成像的調制度隨空間頻率變化的函數稱為調制度傳遞函數MTF(Modulation Transfer Function)。對于原來調制度為M 的正弦光柵,如果經過鏡頭到達像平面的像的調制度為M ’ ,則MTF函數值為:

        MTF 值= M ’ / M

        由此可見,MTF 值必定大于0,小于1。MTF 值越接近1,說明鏡頭的性能越優異。

        MTF 值不但可以反映鏡頭的反差,也可以反映鏡頭的分辨率。由于MTF 值是廠商在嚴謹的測試環境下測得的,排除了成像介質(膠片或感光元件)的影響,因此較為客觀。當空間頻率很低時,MTF 趨于1,這時的MTF 值可以反映鏡頭的反差。當空間頻率提高,也就是正弦光柵的密度提高時,MTF 值逐漸下降,這時的MTF 曲線可以反映鏡頭的分辨率。由于人眼的分辨能力有限,我們一般取MTF 值為0.03時的空間頻率作為鏡頭的目視分辨率極限??臻g頻率高于這個值時,鏡頭成像素質的變化人眼難以察覺,也就不存在測量的意義了。

        鏡頭質量

        

       

        MTF 曲線圖示例

        以上圖為例,針對A、B、C 三條MTF 曲線進行以下分析:

        曲線A 所代表的鏡頭在低頻段反差適中,但隨著空間頻率的提高,它的衰減過程很慢,說明其素質還是不錯的。

        曲線B 所代表的鏡頭在低頻表現很好,說明鏡頭的反差很好,但隨著空間頻率的提高,它的曲線衰減很快,說明鏡頭的分辨率不算很好。

        曲線C 所代表的鏡頭在低頻時就很快衰減,綜合素質較低。

        和上面的曲線不同,廠商繪制MTF 曲線時都是固定空間頻率和光圈。

        其中固定空間頻率低頻(10 線對/mm)曲線代表鏡頭反差特性,這條曲線越高,鏡頭反差越大。而固定高頻(30 線對/mm)曲線代表鏡頭分辨率特性,這條曲線越高,鏡頭分辨率越高。雖然縱坐標還是MTF 值,但橫坐標改為了像場中心到測量點的距離。鏡頭是以光軸為中心的對稱結構,中心向各方向的成像素質變化規律是相同的。由于像差等因素的影響,像場中某點與像場中心的距離越遠,其MTF 值一般呈下降的趨勢。因此以像場中心到像場邊緣的距離為橫坐標,可以反映鏡頭邊緣的成像素質。

        另外,在偏離像場中心的位置,由沿切線方向的線條與沿徑向方向的線條的正弦光柵所測得的MTF 值是不同的。將平行于直徑的線條產生的MTF 曲線稱為弧矢曲線,標為MTFS (Sagittal),而將平行于切線的線條產生的MTF 曲線稱為子午曲線,標為MTFT。如此一來,廠商所測得的MTF 曲線一般有兩條,即S 曲線和T 曲線。

       

       

       

       

        3.法蘭距離,后焦距,機械后焦距

        后法蘭距是指從鏡頭接口處到攝像機傳感器之間的距離。后焦距是指從鏡頭最后一片鏡片中心點到攝像機傳感器之間的距離。機械后焦距是指鏡頭接口最前端到攝像機傳感器之間的距離CS接口的鏡頭后法蘭距為12.5mm,C接口的后法蘭距為17.5mm。 CS接口的鏡頭只能匹配CS接口的攝像機,但是C接口的鏡頭除了可以匹配C接口的鏡頭外還可通過加一個5mm的C轉CS接圈來匹配CS接口的攝像機

       

       

       4.鏡頭結構: ^6%6~=D%t

        6xh/M+JT_$ a、單片或雙膠合透鏡構成的簡易鏡頭 aWq(vw{

        Mx*|D!Xz   這種簡易型鏡頭由于只采用單片或雙膠合透鏡構成,因此其象差不可能完善校正,孔徑也很小,只能在強光下使用。但由于此類鏡頭價格特別低廉,特別是近年來已普遍使用光學塑料(pmma)替代光學玻璃,使其制造成本更為降低。因此,目前市場上的玩具相機、一次性相機大多使用這種簡易鏡頭。 PQ HHOXB

        fW1T b、三片三組柯克[cooke]型鏡頭 3g[2O,-

        ?kHOgrpr  早期由三片分離透鏡組成的柯克型鏡頭,其光圈位于透鏡之間,這種光學結構型式是鏡頭象差能得以初步校正的最簡單結構,象質基本上滿足一般普及型相機的要求(鏡頭等級為2~3級),且價格比較低。近幾年來為了適應自動、袖珍照相機的發展,把通常三片型柯克鏡頭的光圈由鏡頭中間移至鏡后,使透鏡之間密接緊靠。由于光圈后移造成的光焦度失對稱,使系統存在有較大的軸外球差,不得而已只能采取攔光的辦法來保證象差,因此相對來說邊緣照度較低,在設計及使用時都需要統籌兼顧。 GQ2M <

        `nS5xep   為進一步降低成本,目前市場上的水貨低檔照相機大多用光學塑料透鏡替代柯克型三片物鏡中的某一片(大多為中間一片),此時其相對孔徑只能做到1/4.5左右。 f&2?PTd

        yn;bg3% c、天塞[tessar]型三組四片照相鏡頭 3c wt-V[

        r0 y{Oo $   由柯克型發展起來的天塞型鏡頭見圖1-2-18,它1902年起源于德國的蔡司光學工廠,最早是由著名光學專家魯道夫(rudolof)設計的。它用雙膠合透鏡組代替了柯克型鏡頭的第三片,所以鏡頭的相對孔徑可以大大提高,在中等視場50°~60°情況下其相對孔徑可做到1/3.5~1/2.8。它是目前國內中檔或普及型照相機應用得最廣的鏡頭結構形式。光圈位于第二、第三組之間,構成非對稱結構型的正光焦度攝影物鏡。 U(%cP#{z

        3 E#U5N  引入的膠合透鏡組使物鏡的象散和軸外均得到了充分改善,因此特別適合于風景攝影。 p)o*,8D{$9

        vrM5aYH<|d、雙高斯物鏡及其演變形式 V]"XZU

        A[ S%m!jX>  雙高斯物鏡是在具有較大視場(大約40°左右)的物鏡中,相對孔徑最先達到f/2的一種物鏡。最初的設計如圖1-2-19所示。加入的兩個膠合面,使其有可能更好地消除象差。膠合面兩邊玻璃的色散盡管不同,但折射率近似相等,因此膠合面的加入對單色象差影響不大?;緦ΨQ的結構有利于彗差、畸變、倍率色差等垂軸象差的校正,光圈兩側各有一個強凹透鏡,有利于球差和象散的校正。 | T>M

        o}H[sH   雙高斯物鏡的復雜化型式,主要是為了增加鏡頭的相對孔徑或者是為了改善鏡頭的成象質量。最常見的方法是把前面或者后面的正透鏡用兩個單正透鏡來代替,如圖1-2-19(a)所示。它可以使軸外的視場高級球差和軸上的孔徑高級球差同時減小,可以在較大的視場情況下獲得較高的成象質量。   雙高斯物鏡的另一類復雜化形式是把前、后厚透鏡中的膠合面,用分離曲面代替;或者同時把前面或后面的正透鏡分成兩個。

        

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