不可不读的光学镜头参数术语解释（下）

2022-03-21

涉及参数预览：

1、上篇

焦距，工作距离与放大倍率，光圈与景深，视场角，畸变

2、下篇

最大传感器尺寸，入瞳与出瞳，光学总长，主光角CRA，分辨率，MTF曲线，变焦，调焦，远心光路结构，远心度，相机接口（卡口类型）

成像镜头是光学产品的重要的组成部分，它的作用是将目标物体成像在图像传感器上。本期追光小课堂将继续对成像镜头的参数和术语进行说明解释，帮助我们更好的理解镜头的性能特点，针对不同的应用场景完成镜头的选型搭配。

1. 最大传感器尺寸

如下图所示，镜头在像平面的成像是圆形，但接收图像的传感器通常为矩形，所以最终保存的图像是矩形。

图1,圆形相面与矩形传感器

以下图为例，镜头成像尺寸会按照通用传感器的尺寸设计，使得圆形像面外沿与矩形传感器四角正好相接，这个传感器尺寸就是该镜头的最大传感器尺寸（下图绿色2/3"传感器）。如果使用更大尺寸的传感器（下图紫色1"传感器）四个角会在镜头圆形像之外。使用更小尺寸的传感器（下图粉色1/1.8"传感器），传感器只采集到圆形像较小区域，视场和视场角会变小。

图2,11mm直径像面与不同尺寸传感器的匹配效果

市面上通用传感器的名称表述，既不是传感器的任何一条边长也不是对角线长度，这样的尺寸标注难以形成具体尺寸的概念。

下表是市场上常见的通用传感器尺寸规格信息，传感器对角线长度匹配镜头的像面尺寸的那款传感器就是镜头的最大传感器尺寸。

表1,常见通用传感器

2. 出瞳，入瞳与孔径光阑

出瞳：出瞳是限制出射光束的有效孔径，是孔径光阑被后方光学系统所成的像；出瞳距离是出瞳与镜头最后一个镜片表面的距离；出瞳直径就是孔径光阑对后方光学系统所成的像的大小。

入瞳：入瞳是限制入射光束的有效孔径，是孔径光阑被前方光学系统所成的像；入瞳距离是入瞳与镜头第一个镜片表面的距离；入瞳直径就是孔径光阑对前方光学系统所成的像的大小。

孔径光阑：光路中所有可以限制光束的开孔屏或者透镜边框都可称为光阑，其中最终限制光路入射光束大小的光阑称为孔径光阑。

图3，入瞳，入瞳距离，孔径光阑

以上图光路为例，1，2镜片边缘，3光圈都可以限制入射光束，图中能通过1号镜片的光束只有一部分能进入2号镜片，通过2号镜片的光束只有一部分能进入3号光圈，所以3号光圈最终限制能进入镜头成像的光束大小，也就是这个光路的孔径光阑。在A点观测时，3号光圈被1号和2号透镜放大成4号虚像，A点发出的光经1号2号透镜进入3号光圈，与光从A点直接进入4号等效。把光圈对两个透镜所成的4号像称为入瞳，入瞳与镜头第一个镜片之间的距离就是入瞳距离。

3. MTF曲线和分辨率

镜头的分辨率是指镜头可以分辨两个靠近的点的能力，也称为解析力。镜头分辨率通常使用MTF曲线表征。

MTF曲线表示空间频率与传递函数值的关系。横坐标表示空间频率，即每mm线对数，可以代表两个点的靠近程度。纵坐标表示传递函数代表对比度，数值为1，线对对比明显，可清晰分辨；数值为0，线对没有反差无法分辨。

图4,线对对比度1和0.6的图像

图5,某型号镜头MTF曲线

图5中有多条曲线，每条曲线都标注像高。0mm表示轴上MTF数值，4.5mm表示轴外像高4.5mm的MTF数值。不同像高的MTF曲线趋势一致性高，不分散，表示镜头轴上轴外一致性高。黑色直线代表受物理极限限制的MTF数值。

传感器分辨率一般指横向与纵向像素数乘积，如500万像素，传感器横向与纵向像素数为2560×1920。单个像素即像元的尺寸，与传感器的尺寸和分辨率相对应。可以根据表1传感器尺寸除以像素数量，得到像元尺寸。如2/3“ 500万传感器，像元尺寸3.4μm。镜头的分辨率应与像元尺寸匹配。通常按照线对尺寸的一半选择像元尺寸。

以1/1.8“小像元镜头为例，是230lp/mm高分辨率设计，线对尺寸1000/230μm=4.34μm，匹配像元尺寸为4.24/2μm=2.17μm，可以匹配市面上2.2μm的传感器。选择比2.2μm小的像元，并不能带来更丰富的细节。

4. 主光角

镜头主光角CRA（Chief Ray Angle），表示镜头主光线与光轴的夹角。主光线是从被观测物体发射，经孔径光阑的中心到成像的光线。

传感器主光角CRA，表示可以聚焦到像素上的光线的最大角度。超过此角度的光束不能完全被传感器接收。一般要求镜头CRA不大于相机传感器CRA。