光学镜头理论基础
光学镜头的设计原理
光学镜头的设计原理光学镜头是光学仪器中的重要组成部分，广泛应用于相机、望远镜、显微镜等设备中。
其设计原理是基于光学的折射、反射和散射规律，通过合理设计镜片的形状、曲率和材料，实现对光线的聚焦、成像和校正。
本文将从光学原理、镜头结构和设计要点等方面介绍光学镜头的设计原理。
一、光学原理光学镜头的设计原理基于光的折射和反射规律。
当光线从一种介质射入另一种介质时，会发生折射现象，其折射角度与入射角度、两种介质的折射率有关。
根据折射定律，可以计算出光线在不同介质中的传播路径。
而反射则是光线在介质表面发生反射，其反射角度等于入射角度。
利用折射和反射规律，可以实现光线的聚焦和成像。
二、镜头结构光学镜头通常由凸透镜、凹透镜、棱镜等组成。
其中凸透镜可以使光线发生向内的折射，从而实现光线的聚焦；凹透镜则可以使光线发生向外的折射，用于校正光线的散焦。
通过合理组合这些镜片，可以实现对光线的控制和调节，从而达到理想的成像效果。
此外，镜头的曲率半径、厚度、材料的折射率等参数也会影响镜头的光学性能。
三、设计要点1. 焦距：焦距是光学镜头的重要参数，决定了镜头的聚焦能力。
焦距越短，光线聚焦的能力越强，成像距离也越近；焦距越长，成像距离越远。
设计镜头时需要根据具体应用需求选择合适的焦距。
2. 光圈：光圈大小会影响镜头的透光量和景深。
较大的光圈可以提高透光量，适用于低光条件下的拍摄；较小的光圈可以增加景深，适用于需要大景深的场景。
设计镜头时需要根据拍摄需求选择合适的光圈大小。
3. 畸变和色差：镜头在成像过程中会产生畸变和色差现象，影响成像质量。
设计镜头时需要采取措施减小畸变和色差，如选择合适的镜片材料、优化镜片结构等。
4. 对焦方式：镜头的对焦方式有自动对焦和手动对焦两种。
自动对焦通过镜头内置的电机实现对焦，适用于快速拍摄；手动对焦则需要通过手动旋转镜头环实现对焦，适用于需要精细调节焦距的场景。
综上所述，光学镜头的设计原理基于光学的折射、反射和散射规律，通过合理设计镜片的形状、曲率和材料，实现对光线的聚焦、成像和校正。
光学镜头成像原理
光学镜头成像原理
光学镜头成像原理是基于光的折射和反射现象的。
当光线从一个介质进入另一个介质时，会因介质的光密度不同而产生折射。
当光线从光疏介质射向光密介质时，会向法线方向偏折，而当光线从光密介质射向光疏介质时，会远离法线方向偏折。
这种现象被称为折射现象。
镜头的基本构造是由透镜或镜片组合而成的。
透镜是光线透过的光学元件，镜片则是经由反射而折射的光学元件。
镜头的成像原理是通过透镜或镜片的形状和曲率，使光线在透镜或镜片表面发生折射或反射，并最终聚焦到成像面上。
透镜有两种类型：凸透镜和凹透镜。
凸透镜是中央较厚的透镜，凹透镜则是中央较薄的透镜。
当平行光线射向凸透镜表面时，光线会被集中到一点，这个集中点被称为焦点。
凹透镜则会使平行光线发散，似乎来自一点，这个虚拟的反向延长线上的点也称为焦点。
当物体放置在镜头的前方时，光线会经过透镜或镜片的折射或反射作用，最终会在成像面上形成一个倒立的实像。
成像的清晰度和质量取决于透镜或镜片的质量、形状和位置以及光线的入射角度等因素。
调整和控制这些因素，可以实现所需的成像效果。
总之，光学镜头成像原理是基于光的折射和反射现象，通过透镜或镜片的形状和位置，使光线在透镜或镜片表面发生折射或反射，并最终聚焦在成像面上，形成一个倒立的实像。
光学镜头设计原理
光学镜头设计原理
光学镜头设计原理:
1. 折射原理：根据光线在两种不同介质之间的折射规律，设计出镜头的形状和曲率，使得光线能够在镜头内部发生折射并集中到焦点上。
2. 应用多个镜片：通过在光路上放置多个镜片，可以更好地控制光线的传播和聚焦。
不同的凸凹面曲率和材料可以调整光线的折射和散射，提高镜头的成像质量。
3. 光线的收敛和发散：利用凸透镜使光线收敛，实现放大效应，适用于望远镜等应用；利用凹透镜使光线发散，形成视场角大的广角镜头。
4. 色差校正：由于不同波长的光在镜头中的传播速度不同，会导致色差，即成像点的位置不同。
为了校正色差，设计时可采用不同材质的镜片，利用色散的特性使得不同波长的光线经过镜片后能够聚焦在同一平面上。
5. 光线的阻抗匹配：镜头表面和空气之间的折射率不匹配会导致反射丢失，因此常通过涂覆一层反射膜增加光线的穿透率，提高镜头的透光性能。
6. 畸变校正：通过适当设计曲率和厚度分布，可以减少或校正象散和畸变，保证成像的准确性。
7. 光圈控制：镜头设计中考虑光圈的位置和大小，可以控制进入镜头的光线的数量和方向，从而影响镜头的景深和焦点范围。
8. 光学镀膜：对镜头表面进行薄膜涂层，可以减少反射、提高透光率和耐磨性，改善成像质量。
这些原理在光学镜头设计中相互关联，通过合理的组合和优化，能够提高镜头的光学性能和成像质量。
光学镜头基础知识
光学镜头基础知识
光学镜头基础知识
光学镜头是一种能够改变穿过镜头的光线之光线束的导向能力而改变图像的形
象的光学元件。
光学镜头也可以调节焦距来影响拍摄到的图像。
现在它们被普遍应用于日常生活中，例如摄像机、摄影机、显微镜和望远镜。
光学镜头是由多个不同样式的元件构成的光学结构，包括透镜、衍射光栅和它
们的组合；它们们的功效是以分束、折射、衍射和聚焦折射的方式能够将光线束重新定向，从而形成形状和尺寸精确、清晰的图像。
光学镜头的设计非常复杂，它需要依赖光学设计软件完成，即执行光学系统仿
真计算，并实现光学组件的调节。
此外，光学镜头的调节必须克服折射和衍射，实现其发挥最佳效果。
值得一提的是，对光学镜头的考虑不仅仅是调制器、滤光片等物理元素，它也
受到衍射、绕射等光学现象的影响。
因此，要得到理想的效果，应运用专业技术设计光学镜头，并要按照精准原理规范进行校正，这样才能实现光学组件的最佳利用。
从上述文字可以清晰地了解，光学镜头不可缺少，他对现代社会的发展具有重
要的影响，正因此，在高校及高等等教育中，要正确地教授它们的发展史、设计原理和校正标准，以提升学生们对这一领域的知识素养，并期望着他们能够在未来继续努力改进发展它们。
镜头设计光学知识点归纳
镜头设计光学知识点归纳镜头设计是摄影领域中至关重要的一环，决定了成像效果的质量和特点。
在镜头设计过程中，有许多光学知识点需要掌握和应用。
本文将对镜头设计中的一些重要光学知识点进行归纳和总结，以帮助读者更好地理解与应用。
1. 焦距和焦平面焦距是衡量镜头光学性能的一个重要指标。
它决定了摄影中的景深、视角和透视效果。
焦距较小的镜头具有广阔的视角和深景深，而焦距较大的镜头则具有较窄的视角和浅景深。
焦平面是镜头的聚焦面，图像在焦平面上才能获得最佳清晰度。
2. 光圈和景深光圈是控制镜头进光量的装置，也决定了景深的大小。
较小的光圈（大F值）能够提供较大的景深，使得前后景物都能得到清晰呈现；而较大的光圈（小F值）能够提供较小的景深，使得主体能够突出而背景模糊。
3. 畸变和色差畸变是指图像中直线变形的现象，分为桶形畸变和枕形畸变。
合理的镜头设计可以减小或消除畸变现象，使得图像更接近真实。
色差是指不同波长的光聚焦位置不同，导致彩色图像出现边缘色差的现象。
镜头设计师需要考虑使用适当的光学元件来校正色差，以获得更准确的颜色再现性。
4. 散焦和散光散焦是指镜头在不同焦距下图像的聚焦点出现位移的现象。
通过对散焦现象的控制，可以实现镜头的多焦点调整和变焦功能。
散光是指聚光点周围图像发散开来的现象，镜头设计中需要注意合理控制散光现象以获得更锐利的图像。
5. 渐晕和反射渐晕是指镜头中心光亮度高于边缘的现象，造成边缘图像暗淡。
反射是指镜头在强光照射下由于光线反射而产生的干扰，降低了图像的对比度和细节。
良好的镜头设计需要有效减小渐晕和反射现象，提高图像的质量和清晰度。
6. 变形和变焦变形是指图像在成像过程中出现的形变现象，包括桶形变形和枕形变形。
变焦是指通过调整镜头的焦距来改变视角和远近比例的能力。
合理的镜头设计需要控制变形，并保证变焦过程中图像的质量和清晰度。
7. 倍率和接触角倍率是指镜头实际焦距与标准焦距之间的比值，决定了图像的放大程度。
光学镜头简介演示
工业领域：工业检测 、测量和机器视觉等 领域中，光学镜头起 着关键作用，如用于 产品质量检测、精密 测量等。
通信领域：光通信中 ，光学镜头用于光纤 通信系统的收发端， 实现光信号的传输和 接收。
通过以上内容，我们 可以了解到光学镜头 在各个领域都有广泛 的应用，对于推动科 学技术的发展和改善 人们生活品质具有重 要意义。
光学镜头在工业与军事领域的应用案例
工业检测
使用高精度、高稳定性的光 学镜头对工业产品进行质量 检测与控制，确保产品质量 与生产效率。
机器视觉
将光学镜头与图像处理技术 相结合，实现自动化生产线 上的目标识别、定位与测量 。
军事侦察
采用长焦、红外等特殊光学 镜头，实现远程目标的观测 与识别，为军事行动提供情 报支持。
VS
集成化技术
传统的光学镜头通常是由多个透镜组成的 ，集成化技术则是将多个透镜集成在一个 或多个芯片上，从而减小了系统复杂度， 提高了镜头的可靠性和稳定性。同时，集 成化技术还可实现多种功能的集成，如光 学镜头与图像传感器、处理电路等的集成 ，进一步提高了系统的性能。
光学镜头在人工智能与大数据领域的应用前景对光学镜头行业的展望与建议
展望
• 持续增长的市场需求：随着消费电子产品、机器视觉等领域的快速发 展，光学镜头的市场需求将持续增长。
• 技术创新驱动发展：光学镜头行业将不断引入新技术，提升产品性能 ，拓展应用领域。
对光学镜头行业的展望与建议
建议
• 强化技术研发：企业应加大 对光学镜头技术的研发投入 ，保持技术领先地位。
未来光学镜头技术的挑战与机遇
机遇
• 新材料的应用：新材料如超材料、纳米材料等 的应用为光学镜头设计提供了更多可能性。
镜头基础知识和知识点总结
镜头基础知识和知识点总结镜头基础知识和知识点总结一、引言镜头作为摄影器材中至关重要的一部分，对照片质量和效果的产生起着决定性的作用。
了解镜头的基础知识和知识点，不仅有助于我们选择适合的镜头进行拍摄，还可以更好地理解照片的构图和质量问题。
本文将从镜头的构造、分类、光学原理以及一些实用的知识点等方面进行总结和介绍。
二、镜头的构造1. 玻璃光学元件镜头的构造主要由玻璃光学元件组成，包括透镜和反射镜等。
透镜分为凸透镜和凹透镜，通过调整透镜的位置和组合方式，可以改变光线的折射和聚焦效果。
2. 光圈光圈是镜头中具有可变直径的孔径，在光线通过后，可以调整光圈的大小，从而控制进入相机传感器的光量。
光圈的大小直接影响到照片的景深和光线的明暗。
3. 对焦机构对焦机构是镜头中用来调节镜头与被摄物体之间的距离，从而使被摄物体保持清晰的部分。
现代镜头的对焦机构通常由电机和多个对焦组件组成，以实现快速、准确的对焦。
三、镜头的分类1. 按焦距分为广角镜头、标准镜头和长焦镜头广角镜头一般具有小于50mm的焦距，适用于拍摄广角景物，能够呈现出宽广的景深和视角。
标准镜头一般为50mm，是最接近人眼视角的镜头。
长焦镜头超过50mm，适合远距离或需要放大物体的拍摄。
2. 按功能分为定焦镜头和变焦镜头定焦镜头焦距固定，无法调节，但一般具有更好的成像质量和透光性能。
变焦镜头可以根据需要调整焦距，适合拍摄需要不同视角的场景。
3. 按反射系统分为单反镜头和无反镜头单反镜头为配合单反相机设计的镜头，通过反光板和五棱镜将图像引导至取景器中观察。
无反镜头为适配无反相机的镜头，直接将图像传导至相机的电子取景器或显示屏中。
四、光学原理1. 焦点和景深焦点是指光线通过透镜后汇聚在传感器上的位置，决定了被摄物体的清晰与否。
景深则是指摄影中被认为是清晰的范围，包括近景和远景。
焦点和景深的关系是，当焦点调整到一定位置时，会带来不同的景深效果。
2. 色差和畸变色差是指透镜在不同颜色的光线传播中产生的偏差，造成照片中出现色彩偏移现象。
光学镜头基础知识
光学镜头基础知识光学镜头是摄像机中必不可少的部件,直接影响成像质量的优劣和效果。
光学镜头规格繁多，从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头；从视场大小分有广角、标准，远摄镜头；结构上分有固定光圈定焦镜头，手动光圈定焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变焦镜头，电动三可变（光圈、焦距、聚焦均可变）镜头等。
一、镜头的分类1、按结构上分1）、固定光圈定焦镜头镜头只有一个可以手动调整的对焦调整环，左右旋转该环可使成像在CCD/COMS 靶面上的图像最清晰。
光圈不能调整，进入镜头的光通量不能通过改变镜头因素而改变，只能通过改变视场的光照度来调整。
结构简单，价格便宜。
2)、手动光圈定焦镜头手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环，光圈范围一般从 F1.2 或 F1.4 到全关闭，能方便地适应被被摄现场地光照度，光圈调整是通过手动人为进行的。
光照度比较均匀，价格较便宜。
3)、自动光圈定焦镜头在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个齿轮和传动的微型电机，并从驱动电路引出3 或4 芯屏蔽线，接到摄像机自动光圈接口座上。
当进入镜头的光通量变化时，摄像CCD/CMOS 靶面产生的电荷发生相应的变化，从而使视频信号电平发生变化，产生一个控制信号，传给自动光圈镜头，从而使镜头内的电机做相应的正向或反向转动，完成调整大小的任务。
4 手动光圈变焦镜头焦距可变的，有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距，其可变比一般为2～3 倍，焦距一般为 3.6～8mm。
实际应用中，可通过手动调节镜头的变焦环，可以方便地选择被监视地市场的市场角。
5 自动光圈电动变焦镜头与自动光圈定焦镜头相比增加了两个微型电机，其中一个电机与镜头的变焦环合，当其转动时可以控制镜头的焦距；另一电机与镜头的对焦环合，当其受控转动时可完成镜头的对焦。
但是，由于增加了两个电机且镜片组数增多，镜头的体积也相应增大。
6 电动三可变镜头与自动光圈电动变焦镜头相比，只是将对光圈调整电机的控制由自动控制改为由控制器来手动控制,光圈、焦距、聚焦均可变。
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谢谢
但在低照度环境下，sensor曝光已 经到极限，因此FNO小的镜头会在 亮度表现上会有比较佳的表现。来
说，焦距一定，FNO越小，D
镜头规格
FNO=EFL(焦距)/D(光圈直径) EFL
D
加深理解——BF、FB、MB
镜头规格
MB---机械后焦，指镜头最后的机械面到像面的距离， 对于CS接口镜头，此值偏小，有可能造成无法对焦问 题。
从公式可以看出，后景深 > 前景深。 由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距 离以及对像质的要求(表现为对容许弥散圆的大小)有关。 超焦深的计算：f2 – FδL＝0时，后景深为无穷远。在聚焦时，最好能 将焦点聚在能产生超焦深的焦点处，从前焦深处开始聚焦，这样，画 面处所有的画面都能清晰聚焦。
• 景深
– 景深概念、及如何扩大景深
光学基本定律
光学(optics)是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理 学科。
光在均匀介质中沿直线传播
反射角等于入射角。i = i’
n1 sin i = n2 sin r
镜头规格
先一起看看下面这个镜头的规格表
镜头规格
加深理解——EFL与FOV 视场角：若Y’为sensor的半对角线长度，则视场角2θ=2*arctan(Y’/f),
MTF、景深、FILTER
同一频率时MTF值不同，给图像带来的差异：
MTF、景深、FILTER
MTF值相同，形状不同带来的图像差异：
MTF、景深、FILTER
上图是一条离焦曲线，里面包含的信息有：MTF、焦深、空间频率和像高。 一般镜头的焦深范围标准是：MTF>0.3 焦深≥0.02mm，空间频率为1/4的芯片极限分辨率； 芯片的极限分辨率=2倍的pixel size分之一，单位为lp/mm 焦深越大，镜头聚焦越容易。
Transmission ]
景深
景深与对焦距离的关系
景深
前景深 ΔL1= FδL2/ （f2 + FδL） 后景深 ΔL2= FδL2/ （f2 - FδL） 景深 ΔL =2f2FδL2/（ f4 - F2δ2L2） δ——容许弥散圆直径 f——镜头焦距 F——镜头的拍摄光圈值 L——对焦距离 ΔL1—— 前景深 ΔL2——后景深 ΔL——景深
T
500
600
700
800
900
1000
Wave length [nm]
注意区分两个频率: 电磁波的频率，在可见光范围内，通常用波长间接 表达,单位为nm； 空间频率，和分辨率有关，单位是lp/mm
Output (Normalization ）
Spectral characteristics (with IR)
MTF、极限分辨率、FILTER
芯片的极限分辨率计算公式是2倍的pixel size分之一，再乘以1000。6.5μ和2.5μ对应的极限分辨率分别是 77lp/mm和200lp/mm，说明M12定焦镜头的分辨率远远高于77lp/mm，百万像素镜头的分辨率未大于200lp/mm 。
MTF、极限分辨率、FILTER
MTF、极限分辨率、FILTER F：Frequency
镜头的分辨率（F）与芯片的极限分辨率（Fn）关系
Fn： Nyquist’s limit frequency
F>Fn
F=Fn
F=Fn/2
光信号( 被摄物)
Sensor 接受信 号中
Sensor 输出信 号
分辨率过高,Sensor不能分辨 ，产生莫尔条纹
此距离 应大于 FB-MB
加深理解——Resolution
镜头规格
Resolution---分辨率，对于镜头分辨率规格的标注，常用①一定空间频率下的MTF（最大值为1，最 小为0）、②MTF=0.2时的空间频率（lp/mm）、③可达到的最大解析度三种表示方法。
MTF、景深、FILTER
上图是一条MTF曲线，里面包含的信息有：MTF、空间频率和像高。 • MTF可以近似理解为黑白线条的对比度，最大值为1； • 空间频率的单位是lp/mm，200lp/mm表示1毫米距离内的黑白线对数； • 不同颜色的曲线表示不同的像高，T和S分别表示法线和切线方面的MTF。补充说明：像面大小一 般分两种表示方法，一种是像面大小，用直径表示，一种是像高，用距离表示。比如像面Φ6mm对应 的像高是3mm； 从此副MTF曲线图可以看出，这款镜头的可以匹配1/3”的sensor。
1
0.9
0.8
0.7
0.6
B
0.5
GB
R
0.4
GR
0.3
0.2
0.1
0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
Wave length [nm]
对于红外波段（650nm）以上，不能被人眼识别， 但芯片可以感应，这样拍摄出来的画面就会泛红， 与人眼观测到的景物在颜色上存在严重差异，所以 需要增加IR-CUT，滤掉红外波段的光线。
如何消除莫尔条纹？ 低通滤波器（OLPF）
无OLPF的光学系统
有OLPF的光学系统
No.1
No.1
No.2
OLPF
No.3
Sensor
No.2 No.3
MTF、极限分辨率、FILTER
Output （Normalization ）
知道了OLPF，再说一下IR-CUT
Spectral characteristics (with IR)
景深与光圈的关系
景深
景深与光圈的关系
景深
F2.8
F8
F22
景深与对焦距离的关系
对焦物距1
景深
对焦物距2
超焦距
景深
影响景深大小的因素：
•光圈 •焦距 •对焦距离 这是从公式中得到的。除了以上三个光学参数外，镜头 自身的分辨率及CCD的倾斜都会对景深造成很大的影响 。
设计曲线
景深
像面倾斜0.5°后 （按1/3" CCD 则倾斜 约0.05mm）：
临界点
可以分辨
MTF、极限分辨率、FILTER
由上页可知，当F>Fn时，Sensor输出的信号就会有杂讯产生，通常杂讯的表现为莫尔条纹。
2.8mm定焦镜头配6.5μ的CCD，由于镜头的 分辨率远远高于芯片的极限分辨率，所以产生 明显的莫尔条纹
百万像素镜头配合2.5μ的CMOS，镜头的分辨率没 有高于芯片的极限分辨率，所以没有莫尔条纹产生 。
光学镜头基础知识
研发中心
纲要
• 光学基本定律
– 光学三大定律：折射、反射、直线传播
• 光学镜头基本
– EFL、FNO.、BFL、FFL、光阑、FOV、相对照度、MTF等
• MTF、空间频率、滤光片
– 认识MTF曲线、离焦曲线，理解空间频率 – 从拍摄效果理解MTF – MTF、空间频率、TV分辨率三者关系
景深
MTF曲线的形状，再加上图像处理，可以得到较宽的景深。这种技术叫EDOF。 其原理是首先镜头设计上首先要保证高频的MTF，画面的均匀性（从中心到边缘衰减比较缓慢），这样
的镜头在普通的相机上的效果会较一般镜头锐利度差一些，但细节的分辨能力没有降低，他牺牲了低频的 MTF，但换来了更大的焦深，对应的景深会更大一些。这时，再加上适当的图像处理，可以得到较大的景深 。
BF---光学后焦，指镜头最后一片镜片最后一面中心点 到像面的距离。一般通过测量BF来间接计算MB和FB 值。
FB---法兰后焦，镜头法兰面到像面的距离。
加深理解——BF、FB、MB
镜头规格
以上两款镜头的MB值分别为7.81和6.97，这就要求相机定位面到 sensor的距离不能大于6.97，否则出现无法聚焦清楚的情况。
景深
CCD感光面相对于镜头成像面倾斜的 误差来源： •CCD定位误差
•CCD贴片倾斜 •导热铝块平行度
•主板定位误差
•主板平行度 •相机前盖与主板的定位面平行度 •螺钉拧入的松紧程度造成主板的倾斜
•镜头定位误差
•相机接口螺纹同轴度 •镜头接口螺纹同轴度
以上8项误差累计，造成CCD相对于 镜头像面倾斜几度呢？（对于 1/3”CCD单边翘起0.05mm，即为5° ）
Y ’
f
镜头规格
加深理解——EFL与FOV 焦距越短，视场角越大，放大倍率越小，监控范围越大，监控画面中 的人越小，反之视场角越小，放大倍率越大，监控画面中人越大
镜头规格
加深理解——FNO.
FNO=EFL(焦距)/D(光圈直径)
对于定焦镜头（光圈直径）越大， 通光量就越大；
在一般环境下由于sensor会自动调 整曝光值，此时就比较不出FNO数 值不同的镜头的好坏；
1
0.9
0.8
0.7
0.6
B
0.5
GB
R
0.4
GR
0.3
0.2
0.1
0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
Wave length [nm]
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 400
C5000 Spectral characteristics