關(guān)于相機(jī)光學(xué)中若干疑難問(wèn)題的解釋

1、為什么鏡頭的最大光圈處通常成像不佳，或者說(shuō)“成像比較肉”？追求成像的銳利應(yīng)該是所有鏡頭的追求。鏡頭的光圈值一般從F1.2-F32不等，例如F1.8-F16，對(duì)于普通的單反鏡頭來(lái)說(shuō)，通常成像最銳利的光圈值是F5.6或者F8，為什么呢？這涉及到2個(gè)概念，一個(gè)是球差、一個(gè)是衍射。衍射：超小光圈處影響銳利度的因素。衍射（diffraction）是指波遇到障礙物時(shí)偏離原來(lái)直線傳播的物理現(xiàn)象。在經(jīng)典物理學(xué)中，波在穿過(guò)狹縫、小孔或圓盤(pán)之類(lèi)的障礙物后會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播。與之相關(guān)的概念有愛(ài)里斑、瑞利判據(jù)，感興趣的可以自行搜索，在此不再展開(kāi)。球差：大光圈處影響銳利度的因素。我們通?？吹降耐哥R成像的簡(jiǎn)化圖中，平行光通過(guò)透鏡以后匯聚于一點(diǎn)，這點(diǎn)叫做焦點(diǎn)，其實(shí)真實(shí)的情況并非如此。如上圖所示。光線既然不能完美匯聚，也就不可能產(chǎn)生銳利的成像。當(dāng)光圈大（光圈F值?。┑臅r(shí)候，透鏡接收光的圓面很大，于是光線的匯聚處會(huì)非常分散，造成成像不銳利。當(dāng)光圈縮小的時(shí)候，透鏡接收光的圓面很小，這時(shí)候光線經(jīng)過(guò)透鏡以后，匯聚處相對(duì)來(lái)說(shuō)更集中一些，這樣成像也就更加銳利了。當(dāng)然一般來(lái)說(shuō)對(duì)焦不會(huì)非常準(zhǔn)確，光圈小的時(shí)候景深更深，也會(huì)顯得更銳利，但這是后話了。當(dāng)然，對(duì)于實(shí)際的鏡頭來(lái)說(shuō)，鏡頭內(nèi)部的鏡片是很復(fù)雜的，可能有幾片甚至十幾片鏡片，有些鏡片的材質(zhì)還較為昂貴，例如螢石，它們的主要作用其實(shí)就是改善鏡頭的光學(xué)素質(zhì)，校正各種球差、彗差、色散、畸變等等。例如EF200mmf/2LISUSM鏡頭：2、為什么有些微距鏡頭不能在遠(yuǎn)處對(duì)上焦？這就要從成像的最基本公式講起了。u是物距，v是像距，F(xiàn)是焦距。（圖中U=u，V=v，OF=F）大家都有手機(jī)吧，用手機(jī)拍照的都知道，手機(jī)能對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處（很遠(yuǎn)處）對(duì)上焦，例如你可以對(duì)半米遠(yuǎn)的茶杯對(duì)焦，也可以對(duì)50米外的高樓對(duì)上焦。但是有些定焦微距鏡頭卻不可以，例如它只能對(duì)10厘米處的物體對(duì)焦，在其他距離上都不能對(duì)上焦。這是為什么呢？我們看上面的公式：當(dāng)物距（u）很大的時(shí)候，1/u接近于0，此時(shí)焦距約等于像距。也就是說(shuō)此時(shí)焦點(diǎn)和像面（底片）重合。焦距的定義是：指平行光入射時(shí)從透鏡光心到光聚集之焦點(diǎn)的距離。我們通常認(rèn)為定焦鏡頭的焦距不變，這種說(shuō)法當(dāng)然沒(méi)有什么問(wèn)題，但值得注意的是：焦距是在平行光入射的情況下定義的。另外一種準(zhǔn)確的說(shuō)法是：定焦鏡頭像距不變、視角不變。普通定焦鏡頭可以認(rèn)為焦距不變。例如50mm

F1.8，它的最近對(duì)焦距離是450mm，物距比450mm小一點(diǎn)點(diǎn)。根據(jù)上面的公式，此時(shí)1/u就非常小了，可忽略，此時(shí)v≈F，即焦點(diǎn)落在像面上?？烧J(rèn)為焦距基本不變。但是對(duì)于佳能“百微”和尼康“105微”這樣的微距鏡頭來(lái)說(shuō)，最大放大比例是1倍，此時(shí)對(duì)焦距離就很近了，此時(shí)相對(duì)于焦距來(lái)說(shuō)，1/u就不可以忽略了，這時(shí)算出來(lái)的實(shí)際的透鏡焦點(diǎn)到光心的距離就不等于之前的焦距了。對(duì)于“百微”和“105微”這樣的鏡頭來(lái)說(shuō)，由于其極特殊的光學(xué)結(jié)構(gòu)，既可以在無(wú)窮遠(yuǎn)處合焦，也可以在很近的“不同”位置合焦。這是靠移動(dòng)鏡頭內(nèi)部的多組鏡片組實(shí)現(xiàn)的。說(shuō)了這么多，還是沒(méi)有解釋為什么有些微距鏡頭只能在確定的位置對(duì)焦啊。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題且易于理解，我以單反加裝近攝接圈為例，很多玩單反的微距愛(ài)好者由于囊中羞澀應(yīng)該都買(mǎi)過(guò)近攝接圈進(jìn)行微距創(chuàng)作，如果是50mm定焦鏡頭加近攝接圈，那么鏡頭的合焦距離就是一個(gè)確定的距離。如果是18-55mm變焦鏡頭加近攝接圈，那么鏡頭的合焦活動(dòng)范圍就是很小的一段距離。為什么呢？插一句，接圈是什么？接圈就是一截接口處有螺紋或者卡口的鋼管。好比你想夠到高處的東西，所以你踩在一個(gè)凳子上面，腳底到地面的距離強(qiáng)行拉大了。接圈就相當(dāng)于凳子。說(shuō)到接圈這又涉及到一個(gè)概念——法蘭距。法蘭距就是鏡頭卡口到相機(jī)底片的距離。那么你接了一個(gè)接圈就相當(dāng)于強(qiáng)行拉長(zhǎng)了法蘭距。還是看之前的公式：由于你強(qiáng)行拉長(zhǎng)了法蘭距，像距v必然變大很多。而焦點(diǎn)到光心的距離F基本變化不大，所以像距u會(huì)大大較小。假設(shè)加了接圈以后，像距v=2F，那么此時(shí)u=2F,也就是只有物距等于2F的時(shí)候才能完美合焦。這就解釋了為什么有些微距鏡頭不能在無(wú)窮遠(yuǎn)處對(duì)焦。也解釋了，為什么變焦鏡頭加了接圈以后合焦活動(dòng)范圍有很小的一段距離，而不是固定的距離。（因?yàn)樽兘圭R頭的焦距變化范圍大一些）3、什么是有限共軛鏡頭，什么是無(wú)窮共軛鏡頭？我們?cè)跀?shù)學(xué)里學(xué)過(guò)共軛復(fù)數(shù)，共軛根，由此可知共軛指的是某種互相對(duì)應(yīng)的2個(gè)點(diǎn)或者兩個(gè)元素。像點(diǎn)和物點(diǎn)就是一組共軛點(diǎn)。又涉及到兩個(gè)亂七八糟的概念叫做入瞳和出瞳，在此不展開(kāi)。無(wú)窮共軛鏡頭的意思是：像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處（可以理解為很遠(yuǎn)處）。例如這種：有限共軛鏡頭：像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)只能在有限的距離內(nèi)。如下所示：很明顯，手機(jī)攝像頭、普通鏡頭都是無(wú)窮共軛鏡頭，而工業(yè)微距鏡頭大多是有限共軛鏡頭，像“百微”、“105微”這樣的奇葩，既可以是無(wú)窮共軛鏡頭，又可以使有限共軛鏡頭。4、工業(yè)中，紅光和藍(lán)光使用上有什么區(qū)別？這需要分兩個(gè)方面來(lái)講。解像力方面：藍(lán)光由于波長(zhǎng)更短，衍射效應(yīng)更弱，因此刻畫(huà)細(xì)節(jié)的能力更強(qiáng)，拍攝微小的物體，藍(lán)光是首選。而紅光呢，黑白CCD對(duì)紅光更敏感，但其實(shí)這優(yōu)勢(shì)并不大，或許在需要盡量減輕環(huán)境光干擾的時(shí)候，有一點(diǎn)作用。（后面可以知道，紅光源的優(yōu)勢(shì)是價(jià)格比藍(lán)光源便宜一些）拍攝彩色物體方面：很多人認(rèn)為區(qū)分彩色物體一定需要彩色相機(jī)，其實(shí)不然。對(duì)于一幅RGB彩色圖，轉(zhuǎn)為有明暗變化的灰度圖時(shí)，遵循的公式通常是這樣的：結(jié)果亮度灰階值=30%紅色+59%綠色+11%藍(lán)色。也就是說(shuō)，不同顏色的物體轉(zhuǎn)為灰色時(shí)，亮度是不一樣的。更神奇的是，當(dāng)你給物體打某種顏色的光的時(shí)候，再用黑白相機(jī)拍，得到的灰度圖片又不一樣。如下圖所示：有人說(shuō)，你費(fèi)這么大勁干嘛，用彩色相機(jī)拍不就得了？首先不同相機(jī)價(jià)格差異因素是一方面，更重要的是，黑白圖片的數(shù)據(jù)量只有彩色圖片的1/3，這種差異就會(huì)體現(xiàn)在圖像處理的速度上。生產(chǎn)速度對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是極為重要的。規(guī)律大致可以總結(jié)如下：用紅色光給彩色物體打光，然后用黑白相機(jī)拍攝，物體紅色的部分變成亮白色，物體白色部分變成淺灰色，跟紅色差異大的顏色則變成暗黑色，黑色還是黑色。（具體轉(zhuǎn)換公式不詳）還有一點(diǎn)需要注意的是，紅色光源通常要比藍(lán)色光源便宜。紅色LED光源制作簡(jiǎn)單，早就發(fā)明了出來(lái)，而藍(lán)色LED的研制則晚了許多，2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了3位曾經(jīng)在藍(lán)光LED研制方面做出卓越成就的科學(xué)家，由此可見(jiàn)一斑。5、為什么工業(yè)領(lǐng)域絕口不提ISO這個(gè)參數(shù)？做工業(yè)機(jī)器視覺(jué)的工程師一般都知道光圈、快門(mén)（曝光時(shí)間），但你要問(wèn)他什么是ISO，他多半不知道。工業(yè)機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域有沒(méi)有ISO這個(gè)參數(shù)呢？有的，只不過(guò)換了個(gè)名字，叫做gain（增益），這個(gè)參數(shù)一般沒(méi)人調(diào)它，一般也不用調(diào)。光圈、快門(mén)時(shí)間、ISO是取得合適曝光的三駕馬車(chē)，三者互相合作也互相制約。ISO通常取值為100-3200。通常ISO越高，相機(jī)感應(yīng)光的能力越強(qiáng)，相應(yīng)的噪點(diǎn)也越多，畫(huà)質(zhì)也越差。對(duì)于每一個(gè)攝影師來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)情況下，他都希望把ISO固定在100，因?yàn)檫@可以獲得最純凈的畫(huà)面，但這幾乎是不可能的。因?yàn)樵诎倒猸h(huán)境下，ISO太低，只能強(qiáng)行調(diào)大光圈，但是光圈是有限的，因此只能增加快門(mén)時(shí)間，但是快門(mén)時(shí)間一長(zhǎng)，手持拍攝必然糊片。但是在工業(yè)領(lǐng)域一般不存在這個(gè)問(wèn)題（或者說(shuō)這個(gè)問(wèn)題是次要問(wèn)題），一是因?yàn)楣I(yè)相機(jī)一般不動(dòng)，曝光時(shí)間很長(zhǎng)也不會(huì)糊片，另外，工業(yè)視覺(jué)設(shè)備光源自帶，幾乎不存在暗光環(huán)境。6、為什么是光源的亮度越高越好？高亮度光源至少有這些好處：光源亮度高，快門(mén)時(shí)間就能降下來(lái)，有可能可以提高采圖速度；其次光源亮度高，可以大大減輕環(huán)境雜光的影響；另外，光源亮度高，可以將光圈縮小，而通?？s小光圈可以得到更銳利的畫(huà)面和更大的景深，這些對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是極為重要的。所以選擇光源的時(shí)候，光源亮度越高越好。7、什么是單顆像素質(zhì)量？單顆像素指的是傳感器上的一顆像素，單顆像素質(zhì)量通常直接和像素顆粒的大小有關(guān)。例如有的相機(jī)的像素顆粒是5um×5um，而很多手機(jī)的像素顆粒大小是1.12um×1.12um，或者1.3um×1.3um，這個(gè)數(shù)值越大，表明單顆像素質(zhì)