工业镜头基础要点一

镜头焦距分为像方焦距和物方焦距

镜头的构造：

                                  

机器视觉应用中多用定焦镜头，所以此处的调焦环不是用来调整焦距的，而是用来调整像距的，以保证清晰图像落在焦平面上。

理想凸透镜成像公式：1/u+1/v=1/f，其中u是物距，v是像距，f是焦距

“变焦（Zoom）”是指改变焦距f。只有变焦镜头的焦距才能改变，定焦镜头的焦距是固定的。

“调焦（Focus）”或“对焦”是指改变像距v，也就是改变镜头光心到底片平面的距离。除了一些低档傻瓜机镜头没有调焦机构，不能改变像距外，所有镜头，无论定焦变焦，都可以改变像距。 

 “焦点对在xxx上面（Focus on xxx）”这个习惯说法，是指通过“调焦”，即改变像距v，使之与景物xxx到镜头的距离u、镜头焦距f，满足成像公式 1/u + 1/v = 1/f，也就是景物xxx能在底片上清晰成像。 
变焦是改变镜头的焦距即改变镜头的视角，其原理是在镜头的镜片中加一组活动透镜；对焦是调整像的虚实，即改变透镜和成像面的距离，达到使影象清晰目的。因而，变焦与对焦意义完全不同。 
一、调焦原理 
       实际照相时，被照物体与照相机的相对距离，每次总是有变化的。由高斯公式1/l'-1/l=1/f'可知，对于不同的照相距离l，其照相光学系统的象距l'也将随着变化。为了使不同距离的被摄物体能够正确地成象在焦平面（即胶片平面）上以得到清晰的影像，必须随时调整镜头与胶片平面之间的距离l'来适应物距l的变化。镜头的这种调整过程就称为调焦。为了正确地进行调焦，一般在调焦前还要测定出被摄物体到胶片平面之间的距离，这个过程便称为测距。 
二、照相机镜头的调焦方式 
       照相机镜头的调焦通常采用下述三种方式来进行： 
(1)改变象距的调焦方式 
       照相机镜头对无穷远物体对焦时，它成象在镜头的焦平面上，即l'=f'。当摄影距离缩短成有限距离时，如7m，3m等(指被摄体到照相机胶平面之间的距离)，象距l'都会拉长。实际上135照相机的胶片位置是相对不变的，因此只能将整个镜头向前伸出有限距离x'，此增大量只有这样才能保证象点正确地落实在胶片平面上，以保持象面的清晰度。这种保持镜头焦距不变而改变象距的调焦方式又称整组调焦。此增大量x'称调焦量。这种调焦方式在使用时，只需转动镜头上的调焦环，调焦环上刻有与调焦量对应的底片与被摄景物之间的距离标尺，调焦环带动镜筒上的多头螺纹，让镜头产生轴向移动，使镜头的焦点落实在胶片平面上。由于是整组移动镜头，镜片之间的相对位置固定不变，因此能始终保持镜头的成象质量处于最佳状态。 
(2)改变焦距的调焦方式 
      这种调焦方式是通过移动镜头中某组镜片的轴向位置，从而稍微变动了镜头的焦距，以使物距变化时能保持象距不变。前组调焦是最常采用的调焦方法之一。可以前组单片调焦，也可以前组一齐移动调焦。此外还有采用中组或后组的调焦形式。这种调焦方式的优点是调焦时整个镜头可保持不动，调焦量小，调焦机构也较简单。变焦镜头由于镜片多，体积大，整组移动有困难，往往多采用这种方式调焦。 
(3)固定焦点方式 
      目前市场上供应的简易型照相机的镜头位置大多是固定不变的。即不管物距多少，照相机的镜头与胶片之间的距离始终固定不动，这种调焦方法称为固定焦点法。尽管这样，由于限制了弥散圆的大小，照相机的拍摄质量也还是有一定保证，实际上此类照相机是利用“景深”调焦，又称超焦距法。
三、照相机的调焦方法 
      无论采用何种调焦方式，我们都必须使被摄体的物距l和象距l'满足高斯公式，只有这样才能在胶片平面上获得清晰的象。通常用下述方法来获得正确的调焦。 
1、测距法 
      这种方法是首先测出被摄体至胶片平面之间的距离，根据调焦方式确定此时的调焦量，然后再使整个镜头或前组作相应的转动，以使在胶片平面上获得清晰的影像。根据测距方式的不同又可分为估测法和三角测量法： 
      (1)估测法就是摄影者根据目测或步量的形式，首先确定摄影距离，并据此来转动或调节镜头上的调焦环，使其距离刻度或远景、中景、近景标记与镜头上的基准标记对准。这种调焦方法用在镜头焦距较短。相对孔径较小的照相机上，可获得足够清晰的照片。 
      (2)三角测量法就是利用数学中的三角关系来进行测距、调焦。主要应用于带测距器的照相机中，这种照相机的测距和调焦是联动的，只要使取景器中的双象重合，测距和调焦即告完成。这种方法可以使镜头得到准确的调焦，从而保证底片上影像的清晰度。此方法常用在带有逆伽利略式取景器的照相机上。 
      (3)视差由于旁轴取景器的取景光轴位于摄影镜头光轴的旁侧，故视界范围有所偏移，因此有视差存在。设取景器光轴与摄影镜头光轴相距为v。当对物距l的物平面摄影时，在胶片上的成象范围为 TT'，而取景范围却是SS'。此时取景光轴上的点P通过摄影镜头成象，其象点不在胶片中心O，而是偏离一个距离ε，ε称为视差量。由相似三角形关系，有ε/v=l'/l， ε=l'v/l。又由几何光学可知，1/l+1/l'=1/f'。于是可有ε=vf'/(l-f')式中，v与f'为结构常数，因此视差量ε随物距l而变化。l越大，视差就越小。当对无限远处调焦时，l-> ∞，由视差ε->0。 
2、聚焦检测法 
这种方法是通过人眼观察象面或对焦板上的影像是否清晰来判断聚焦是否合适的方法。它又分为对比法和裂像法。 
      (1)对比法 
       当我们观察一个景物的轮廓时，影像轮廓边缘越清晰，则它的亮度梯度就越大，或者说景物边缘处与它的背景之间的对比度就越大。反之，离焦的象，它的轮廓边缘就模糊不清，亮度梯度或对比度就下降。如毛玻璃对焦板就是采用这种方法。 
      (2)裂像法 
      在对焦板位置上放置裂像光楔或微棱镜，当焦点正好位于裂像光楔的交点上或微棱镜的顶点上的时候，我们看到的只是一个清晰的象点；当焦点偏离上述位置时，通过裂像光楔看到的是两个分开的象，而通过微棱镜看到的则是许许多多分开的象，造成一种影像模糊的感觉。用裂像光楔和微棱镜对焦板对焦就是根据这个原理进行的。 因为对焦平面与胶片平面完全共轭，人们只需通过眼睛来观察相当于胶片成象平面的对焦屏。只要对焦屏上的裂像重合和微棱区影像是清晰的，则胶片平面上的象必然清晰；反之亦然。对焦屏可以做成不同的结构形式，如毛玻璃表面状、微圆锥面状、微棱镜状、带裂像光楔的、带环带透镜的，等等。聚焦检测的调焦方法主要应用于单镜头反光照相机上。