2.2 鏡頭
鏡頭的作用:聚集光線在攝像機內(nèi)部產(chǎn)生銳利的圖像,以得到被測物的細節(jié)。
2.2.1 針孔攝像機
- 針孔攝像機的針孔過小刨摩,只有極少量的光線通過小孔到達像平面寺晌,故必須采用非常長的曝光時間才能得到足夠亮度的圖像。
- 真正的攝像機使用鏡頭收集光線澡刹,而鏡頭通常由一定形狀的玻璃或塑料構(gòu)成呻征。
2.2.2 高斯光學
- 色散:白光折射時散成多種顏色。
- 針孔模型是線性過程罢浇,鏡頭成像是非線性過程陆赋,同心光束通過鏡頭后不能完全匯聚與一點。
- 根據(jù)近軸近似(入射角很腥卤铡)可以得到高斯光學攒岛。在高斯光學中,同心光束通過由球面透鏡構(gòu)成的鏡頭后匯聚到一點胞锰。
- 高斯光學是理想化的光學系統(tǒng)灾锯,所有與高斯光學背離均稱為像差。
- 鏡頭的基本要素:
君旦、
、
和
嘲碱。
- 物面即經(jīng)過被測物金砍,與主平面
和
的平面。像平面即經(jīng)過被測物的像麦锯,與主平面
和
的平面恕稠。
- 厚透鏡成像法則:鏡頭前平行于光軸的光線過
;過
點的光線通過鏡頭后平行于光軸扶欣;過
的光線必然經(jīng)過
鹅巍,經(jīng)過鏡頭前后與光軸夾角不變。
- 光闌即鏡頭中用于限制通光量的部件料祠。孔徑光闌即最大程度限制通光量的光闌骆捧。孔徑光闌不一定是最小的光闌髓绽。
- 入瞳與出瞳是虛擬光闌敛苇,入瞳是孔徑光闌在其前光學系統(tǒng)中所成的虛像,決定鏡頭入口可以接收光線的面積顺呕。出瞳是孔徑光闌在其后光學系統(tǒng)中所成的虛像枫攀,通過出瞳的光線可以通過整個光學系統(tǒng)括饶。
- 主光線過孔徑光闌中心,其入射光線與透射光線分別經(jīng)過入瞳與出瞳的中心来涨。
-
光瞳放大率
即出射光瞳的直徑與入射光瞳直徑之比图焰,也與物方和像方的視場角相關(guān)。
- 針孔模型只有一個投影中心蹦掐,
楞泼;高斯光學有兩個投影中心,
笤闯。
-
與
可能不同,取決于物距
和像距
棍厂。當攝像機聚集與另一平面時必須重新標定颗味。
2.2.3 景深
- IP是像平面,F(xiàn)P是對焦面牺弹。在FP前后的被測物在IP上成一彌散圓斑浦马。若彌散圓斑的尺寸與像素尺寸(1.25~10μm)差不多,可近似看成聚焦张漂。彌散圓斑取決于入瞳的直徑晶默。
- 標準f值為f/1、f/1.4航攒、f/2磺陡、f/2.4、f/4漠畜、f/5.6币他、f/8、f/11憔狞、f/16蝴悉、f/22等。f值增大一個級數(shù)瘾敢,亮度縮小一半拍冠。
-
縮小一倍,
增加四倍簇抵。
增加一倍庆杜,
增加一倍。
增加時正压,
變得更小欣福。
- 不能任意加大
,因為過小的孔徑光闌(F越大焦履,通光量越型厝啊)會使光線發(fā)生衍射雏逾,像變成條紋圓環(huán)斑,影響圖像清晰度郑临。
2.2.4 遠心鏡頭
- 對于近心鏡頭(普通光學鏡頭)栖博,投影在物方空間和像方空間都是透視的。若被測物與像平面不平行厢洞,其成像會變形(透視變形)仇让。
- 對于物方遠心鏡頭,孔徑光闌在焦點
處躺翻,入瞳中心在物方無窮遠處丧叽,出瞳與孔徑光闌重合(位置有限)。
- 對于雙遠心鏡頭公你,入瞳和出瞳都在無窮遠處踊淳。
- 對于像方遠心鏡頭,入瞳在焦點
處(位置有限)陕靠,出瞳在無窮遠處迂尝。光線越垂直,固態(tài)傳感器越敏感剪芥。像方遠心鏡頭可使光線垂直進入傳感器垄开,避免像素光暈現(xiàn)象。
鏡頭類型 | 物方投影 | 像方投影 |
---|---|---|
近心鏡頭(普通光學鏡頭) | 透視 | 透視 |
像方遠心鏡頭 | 透視 | 平行 |
物方遠心鏡頭 | 平行 | 透視 |
雙遠心鏡頭 | 平行 | 平行 |
- 若像平面垂直于光軸税肪,則在幾何學上像方空間的投影特性不再重要溉躲,平行投影變成正交投影,在像方空間中與透視投影等效寸认。
2.2.5 傾斜鏡頭和沙姆定律
- 若被測物處在與像平面不平行的平面上签财,且處于高放大率下的淺景深時,成像會出現(xiàn)問題偏塞〕簦可以減少孔徑光闌的尺寸(增加鏡頭f值),但其作用有限灸叼,過小的孔徑光闌會使光線發(fā)生衍射造成圖像模糊神汹,同時導(dǎo)致到達傳感器的光線過少。
- 需要對傾斜物體平面清晰成像的應(yīng)用包括立體重構(gòu)古今、基于激光三角測量法(片光)的三維重構(gòu)屁魏、結(jié)構(gòu)光三維重構(gòu)
- 沙姆定律:對于薄透鏡(透鏡兩個主平面重合),焦平面捉腥、主平面和像平面匯聚成一條沙姆線氓拼;對于厚透鏡,沙姆線分成兩條直線,分別是
與
的交線和
與
的交線
- 沙姆定律表明:通過相對于像平面來傾斜鏡頭桃漾,在物體空間中的任意一個平面都可以清晰成像坏匪。
- 絞合線即平行于像平面,經(jīng)過物方主點
撬统,與焦平面的交線适滓。平移像平面,焦平面會沿物方絞合線旋轉(zhuǎn)恋追。
2.2.6 鏡頭的像差
像差 | 成因凭迹、表現(xiàn)和解決方法 |
---|---|
球差 | 成因:球面鏡頭邊緣折射增大使遠離光軸的光線與進軸光線不交于同一點。 表現(xiàn):無論像平面在哪都有一個彌散圓苦囱。 解決方法:使用較大f值嗅绸,或者使用非球面鏡頭。 |
慧差 | 成因:與光軸成一定角度的光線通過鏡頭后不能聚于一點撕彤。 表現(xiàn):像不是圓形朽砰,而類似于彗星的形狀。 解決方法:使用較大f值喉刘。 |
像散 | 成因:子午方向和弧矢方向的光線不能聚焦于一點。 表現(xiàn):產(chǎn)生子午焦線和弧矢焦線兩條正交的線漆弄,兩者間某一位置出現(xiàn)最小的彌散圓斑睦裳。 解決方法:使用大f值的孔徑光闌,或者通過鏡頭設(shè)計減小像散撼唾。 |
場曲 | 成因:子午像與弧矢像不在同一像平面上廉邑,甚至二者所在的面不是平面。 表現(xiàn):不能使整個圖像完全聚焦倒谷,中心聚焦清晰蛛蒙,邊緣散焦嚴重。 解決方法:使用大f值的孔徑光闌渤愁,或者通過鏡頭設(shè)計減小場曲牵祟。 |
畸變 | 成因:不經(jīng)過光軸的直線通過鏡頭后,其像不再是一條直線抖格; ???但通過光軸的直線不會發(fā)生畸變 表現(xiàn):枕形畸變和桶形畸變诺苹,徑向畸變和偏心畸變。雹拄。 |
色差 | 成因:被測物被白光等多波長光照明收奔,不同波長的光線不會聚在同一點。 表現(xiàn):對于彩色攝像機滓玖,物體邊緣產(chǎn)生彩條坪哄,對于黑白攝像機會出現(xiàn)模糊。 解決方法:使用較大f值,或者使用消色差鏡頭或復(fù)消色差鏡頭翩肌。 |
??漸暈即有些鏡頭采集的圖像邊緣亮度有很大下降模暗。一個原因是因為光線與光軸角度過大使可變光闌不再是孔徑光闌,可通過增加f值消除摧阅。另一個原因是軸外點光線強度下降汰蓉,該情況無法通過增加f值來減小。