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关于镜头焦距与监控距离相关问题的研究

2018-11-07      芜湖科立建电子科技有限公司    

关于镜头焦距与监控距离相关问题的研究

镜头的作用是把被摄景物准确成像在摄像器件的靶面上,并构成一幅清晰的光学图像,以便转换为电信号进行后期信息处理。镜头质量的好坏以及镜头与摄像器件是否配置合理,都将影响成像的质量。

  实际的摄像机镜头都是由许多单元透镜组合而成的。最基本的两种透镜就是凸透镜和凹透镜。凸透镜的作用是“聚光成像”,它可以使入射的平行光束,经折射后会聚在一起,即在折射面的另一侧形成一个焦点F,通常称为实焦点。凹透镜的作用是“散光不成像”,即平行光束通过凹透镜之后折射的光线是发散的,但其光线延长线交于入射光一侧,在主光轴上形成一个焦点,称为虚焦点。

  需要指出的是,透镜成像总是存在着“像差”、“色差”以及几何失真,这是因为:第一,透镜表面上各点的曲率半径很难做到完全一致,导致聚焦不好,产生“像差”;第二,透镜表面对不同波长光的折射率也有所差异,导致“色差”;第三,物体离光轴的距离不同时,透镜对它的放大率是不一样的,这样垂直于光轴的物体各处的放大率随与光轴的距离不同而不同,因而造成了几何畸变(如桶形失真和枕形失真等)。

  为了消除像差、色差和几何畸变,在实际镜头中,总是把凸透镜和凹透镜适当的组合在一起。由于正负透镜的作用刚好相反,所以可以提高镜头性能,改善成像质量。

  视频摄像机的镜头一般可视为等效于象凸透镜这样的汇聚透镜,因此成像原理也遵循凸透镜成像的规律,只不过镜头的焦距f是各个透镜焦距的合成焦距,如下图所示。

  图凸透镜成像原理

  根据光学原理,可以得到凸透镜成像的一般公式:

  其中,S为物距,S’为像距,f为焦距。对于视频摄像来讲,在实际应用中,往往物距远大于像距(即S>>S’),所以可以近似地认为f≈S’,也就是说,视频摄像的像平面与焦平面近乎重合。设物高为h,像高为h’,则镜头的线放大率m计算如下:

  因此,像高h’计算如下:

  从上式中可以看到,景物在摄像器件上成像的大小,与物距、焦距和景物的大小有关。当焦距f固定时,物距越小,成像尺寸越大。当景物和摄像机的相对位置固定时,即式中h、S不变时,通过调整焦距f,也同样可以改变成像的大小。成像的大小与焦距f成正比,即f越大,成像也就越大。


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