工业镜头画幅镜头学堂｜工业镜头参数知多少|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

镜头学堂｜工业镜头参数知多少

机器视觉系统中，镜头作为机器的眼睛，其主要作用是将目标物体的图像聚焦在图像传感器（相机）的光敏器件上。数据系统所处理的所有图像信息均需要通过镜头得到，镜头的质量直接影响到视觉系统的整体性能。

这一期镜头学堂将对机器视觉工业镜头相关参数做简要介绍：

焦距（EFL）

定义

透镜中心到像方焦点的距离。

光学系统中的焦距用来衡量光学系统汇聚或发散光线的能力。

焦距示意图

该如何理解焦距与视场角的关系呢？

对于相同的感光元件，搭配的镜头焦距越长，视场角越小，反之成立（排除枕形畸变的影响)。

可以根据下面这组图片来直观的感受一下

注：使用同款感光芯片

光圈数（F.No）

定义

焦距（EFL）与入瞳（D，光圈在物方空间的像）的比值，即F.No=EFL/D。

F.No数的大小是如何对画面亮度、景深及装配灵敏度产生影响的呢？

a．画面亮度

F.No数的大小决定进入光学系统能量的多少。

F.No越大，进入光学系统的光线越少，画面越暗；F.No越小，进入光学系统的光线越多，画面越亮。

如下图所示：

注:此项默认相机曝光时间、增益等参数恒定。

b．景深

在其它所有参数保持一致的前提下，F.No越大，景深越大；F.No越小，景深越小。

c．装配灵敏度

F.No越大，图像对安装倾斜的灵敏度低，越易于装配；F.No越小，图像对安装倾斜的灵敏度高，越不易于装配。

畸变（Distortion）

定义

光学系统中，由于光学透镜固有的透视失真导致实际成像相对于被摄物体的失真程度。

光学畸变

Distortion

光学畸变指的是物体经过光学系统所成的像对于物体本身而言的失真程度。

光学畸变计算方法：

OP.Dist(%)=(实际像高－理想像高)/理想像高 × 100%

TV 畸变

Distortion

TV畸变指的是实际拍摄图像时，像的变形程度。

TV畸变计算方法：

TV.Dist(%)=(H1 - H2)/H

TV畸变可分为枕形畸变和桶形畸变，对角线向外延长的变形（畸变值为正）称作枕形畸变，反之，对角线向内缩短的变形（畸变值为负负）称作桶形畸变。

视场角（Field of View）

定义

镜头在感光元器件上所能看到的空间角度范围，即光学系统入瞳中心对物的张角或出瞳中心对像的张角。

视场角与焦距(EFL)的关系：

若Y为Sensor的半对角线长度，在不考虑光学系统畸变的前提下，对角线视场角（2θ）=2*arctan(Y/EFL)，如下图所示：

注：视场角与镜头焦距、Sensor靶面大小和镜头畸变有关：

a.镜头焦距相同的情况下，Sensor靶面越大,视场角越大；

b.Sensor靶面相同的情况下，镜头焦距越小,视场角越大；

c. 镜头焦距和Sensor靶面都相同的情况下,枕形(负)畸变越大,视场角越大。

清晰度（Resolution）

定义

分辨率和反差综合表现的结果。

分辨率又称分辨力、解析力、鉴别率、解析度，指的是镜头清晰的再现被摄景物细节的能力，分辨率越高的镜头，拍摄的图像越清晰细腻。

清晰度也可以用像面上镜头在单位MM内能够分辨的线对数表示，单位是LP/MM，能够分辨的线对数越多，代表镜头分辨率越高。如下图所示：

反差即对比度，用来形容图像最亮处和最暗处的差别；用MTF（ModulationTransfer Function调制传递函数）来表示，MTF描述的是光学成像系统对各频率分量对比度的传递特性，如下式所示：

其中I’max和I’min表示像的最大和最小灰度值，Imax和Imin表示物的最大和最小灰度值。

很明显，调制度介于0和1之间，调制度M越高，意味着反差越大；当图像中的最大亮度和最小亮度相等，反差完全消失，此时调制度为0。

下图为分辨率为10LP/MM，MTF在0.05~0.4之间的对比图片，从下图可以看出，人眼可接受的最小可分辨的MTF数值在0.15~0.2之间。

MTF如何影响到镜头的整体成像效果？

低频率时的MTF值决定了图像的对比度，高频率时的MTF值决定了图像的分辨力，MTF的优劣直接影响到镜头的整体成像效果，如下图：

A曲线: 曲线平滑下降,说明图像的解像力和对比度均达到了较好的水平，见A图;

B曲线: 低频率时的MTF值持续很高,说明图像的对比度很好；但是高频率时的MTF很低，说明图像的解像力较差，见B图；

C曲线: 低频率时的MTF值下降较快，说明图像对比度较差;高频时的MTF较B曲线高，说明图像解像力效果比B好，见C图；

相对照度（Relative Illumination）

定义

图像边缘亮度与中心亮度的比值。Sensor表面不同位置的照度的大小与该处入射于像面的光线入射角的Cosin四次方成正比。

相对照度 <1?

相对照度＜1的原因：中心视场与边缘视场的有效通光孔径不同(如左图)，造成中心与边缘的亮度差异。

景深（Depth of Field）

定义

能够在像平面上呈现清晰的像的物方空间深度范围。

那么景深是如何计算的？又和哪些因素有关呢？

可成清晰像的最远的物平面称为远景平面，它与对准平面的距离成为后景深△L1；能成清晰像的最近物平面称为近景平面，它与对准平面的距离称为前景深△L2；景深=前景深+后景深，如下图所示：

前景深 ΔL1= FδL²/ （f² + FδL）

后景深 ΔL2= FδL²/ （f² - FδL）

景深 ΔL =ΔL1+ΔL2=2f²FδL²/（ f 4- 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

由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用的F.No 、 f焦距、拍摄距离以及对图像质量的要求(表现为容许弥散圆的大小)有关。

这些主要因素对景深的影响如下（假定其他的条件都不改变）：

a. 镜头光圈：

光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

b. 镜头焦距:

镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；

c. 拍摄距离:

距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

放大倍率（Magnification）

定义

像高和物高的大小之比。

放大倍率的计算方法：

靶面大小（Max Image Circle）

定义

感光元器件对角线尺寸。

靶面大小示意图

传感器类型

对角线长度（mm）

传感器宽度（mm）

传感器高度（mm）

1/3"

6.000

4.800

3.600

1/2.5"

7.182

5.760

4.290

1/2"

8.000

6.400

4.800

1/1.8"

8.933

7.176

5.319

2/3"

11.000

8.800

6.600

16.000

12.800

9.600

4/3"

22.500

18.800

13.500

全画幅-35mm

43.300

36.000

24.000

镜头接口（Mount）

C接口 是工业镜头最为常用的一种接口，其法兰距(法兰面距离感光芯片的距离)为17.526mm，螺纹规格:直径1英寸，螺距1-32UNF；

CS接口 是监控行业较为常用的一种接口，其法兰距(法兰面距离感光芯片的距离)为12.526mm，螺纹规格：直径1英寸，螺距1-32UNF；

从下图来直观地了解C接口与CS接口区别：

a. C接口 的相机不能搭配CS接口的镜头使用，会导致图像不清晰；

b. CS接口 的相机可以搭配C接口的镜头使用，但是要使用5mm转接圈才能正常聚焦；

F接口 是一种卡口型接口,法兰距46.5mm，最早由Nikon为其35mm式相机而开发。目前较多的应用在大靶面相机和线扫描相机上，使用此接口,镜头可轻松安装和拆卸；

M接口 是一种螺纹接口,通常用于替换较大靶面相机的F接口，由接口直径(42mm、58mm、72mm等)、螺距(0.75mm、1mm等)和法兰距定义,种类较多；

S接口是M接口的一种，规格：螺纹直径12mm，螺距0.5mm。

从奥林巴斯25mm F12说起：M43大光圈镜头的设计特色

从广义来看，即便是单个折射球面也能成像（比如放大镜），但实际光学系统一般要求能对有限大小的物体以宽光束成像，因此需要若干透镜以严格设计来校正各种像差（尤其是高级像差）。在空气介质对特定光波段（比如可见光波段）进行成像时，光学系统的视场中心理论极限分辨率在相对孔径确定之后也就确定了，能达成多少百分比几乎完全取决于像差校正。

所以，实现较大F制光圈的设计并不麻烦，1960年代就已经有F1.2级别的标准镜头，采用的是经典的双高斯结构：

双高斯设计的优点在于小半径的面处于收敛的光束中近于不晕的位置，便于校正球差，对称结构也能自动校正垂轴像差，胶合面校正色差，因此直到了今天，很多大光圈标准镜头也依然是基于此设计而来。但在数字时代飞速进步的时代背景下，它的光学设计优点渐渐显得没有特色，甚至可以说校正幅度不足，已经变成了缺点，因此才渐渐引入了新的设计思路，比如蔡司Otus55、适马50ART等镜头采用的反望远设计：

本质上是采用了前置负镜+后置Sonnar的设计思路，也有像RF50mm F1.2这种糅合型设计，综合来看优点是性能强大，缺点是体型笨重。

但对于M43来说，小像场赋予了它敢于突破的底气，25mm F1.2在足足有19片镜片的情况下体重也只有410克，同为短法兰距的无反镜头，15片镜片的佳能RF50mm就有950克；直径70mm/长度87mm也比RF50mm的直径89.8mm/长度108mm要小巧许多。这主要因为镜头焦距、相对孔径和视场角之间存在相互制约的关系，当复杂程度大致相当的情况下，提高任意一个就会降低另外两个。

同样的焦距下M43视场角仅为全画幅的一半，像场面积为1/4，而此时相对孔径就会随之增大。并且因为等效焦距的关系，镜片尺寸可以做得比较小（25mm F1.2入瞳孔径只有50mm F1.2的一半），所以在设计空间相对不受限的情况下，小像场的体型优势使得它更容易堆料，也更容易做高F制光圈的镜头（比如俄罗斯产GOI CV 20mm F0.5像场直径只有2.9mm，再比如尼康品牌最快的量产镜头TV-Nikkor F0.95,像场直径也只有12.6mm。当然，还是那句话。如果单纯只追求大光圈，APS-C也能做出40mm F0.85这种规格的产品，而且是来自国产品牌）。

堆料自然是为了实现更好的成像素质，简单来说就是减少各种高级像差，所以奥林巴斯的F1.2三巨头纷纷都采用了相当惊人的设计，特别是25mm F1.2：

简单一个词就是：豪华。但问题在于这个3片ED的组合并没有很好地消除色差，从结果来看就成了浪费：

与同样采用3片ED的适马50ART相比，色差控制要差不少（即便是50ART在这方面也有浪费材料的嫌疑），轴向和倍率色差控制一般，也明显没有有效消除二级光谱（没有具体镜片规格，不然还可以算一算），再加上内部有大量胶合和不易定心的镜片设计，所以它的良率不会太高，公差也不会太小。但也还就是因为M43小尺寸的优势，让它有成本空间去折腾，而且最终定价相对来看也不会很夸张。

下面是25mm F1.2的色差实拍：

哪怕不需要放大，也不难看出它的色差控制很一般，焦内和焦外都会出现比较明显的紫色和绿色边缘，与采用传统双高斯结构的佳能EF 50mm F1.2差别不大。不过如果单看镜头MTF，在M43的25mm标准镜头里算是相当出色的，缩小到F2.8中心部位50lp/mm也能到MTF80以上，F1.2全开时也有MTF50左右，与适马50ART几乎相当。不过在级联传感器后，锐度表现就相对一般了：

再加上M43本身的像素总数相对较低，所以细节呈现力一直不算是它的优势。与此同时，25mm F1.2的19片镜片意味着透光率的大幅下降，T值只有1.8左右（减少了1档多），50ART则有T1.6，所以它的真实速度并不能达到F1.2的水准：

同为ISO 200，上图为全画幅50mm F1.2快门速度1/6400秒，下图为M43 25mm F1.2快门速度1/4000秒。

可以看到除了白平衡有一点差别之外，输出亮度几乎一致，所以这也是堆料引发的问题之一。除此之外因为反射面增多（足足有38个！），眩光也会成为一个大问题，逆光拍摄时会相当明显，虽然有不少人还挺喜欢这种效果，但前提是足够规整，25mm F1.2的眩光可没那么好看。

那么，为什么在这种情况下，奥林巴斯对大光圈定焦还会采用这种复杂设计？背后还有一个重要原因——远心设计。

什么是远心？这里的“心”实际上指的是镜头的出瞳与入瞳，这个概念我在不下2篇文章里仔细说过，在这里就不重复了。远心又分物方远心、像方远心和双远心三种，其中物方远心设计就是将入瞳位置设计在无限远处，这个设计意味着所有通过光阑的光线都是平行于光轴入射，因此无论物面在哪个位置，放大倍率都是固定的（当然现实设计只能在有限物距内实现），没有透视视差：

而且也几乎没有畸变，景深内外的边缘判据很明显。但缺点也显而易见：要拍多大的物体，就得用多大的口径的前组，所以它并不适用于常规照相机系统，物方远心设计的主要应用领域是机器视觉工业检测，可以很大程度的增加生产效率。

而奥林巴斯的设计方向是像方远心，也就是出瞳位于无限远处，镜头出射主光线以近乎平行光轴的方向抵达传感器：

这个设计的最大优点就是理论上可以消除渐晕，整个画幅无论中心还是边缘，光线近乎垂直抵达，轴外像差影响变小。主要应用方向有大地测量仪等，通过测量已知高度物体（比如标尺）的像高来求得放大率，从而得出物距。而像方远心的问题是镜头直径随孔径增大而增大，但好在M43本身视场小且实际焦距短，做起来更有优势一些，但为了实现像方远心，需要把光阑放置到物方焦平面上，镜片组合的复杂度会明显增大，这也是奥林巴斯F1.2三巨头结构繁复的原因之一。

但就像堆砌了大量高级材料却没有获得相应水平输出一样，虽然奥林巴斯官方比较强调远心设计这一点，但实质上它的成像特性并没有达到像方远心的应有素质，比如它的暗角、口径蚀等问题就依然很明显：

并不比50ART强多少，即便是在有机内校正的情况下。所以它并没有很好的利用远心设计，让大量使用的镜片变得有些徒劳。事实上特别是在无反时代，很多定焦镜头都有近似像方远心的设计倾向，目的主要让边缘主光线以尽量垂直于传感器的角度出射，比如佳能RF镜头就几乎都配备了大口径末组设计来满足这一需求。因此，严格来说奥林巴斯也并没有采用完整的远心设计思路，也只是部分借鉴而已。

F1.2的虚化则是奥林巴斯花了较大篇幅来重点宣传的特性，但毕竟它的等效光圈并不大，物距为50cm时，M43+25mm F1.2的总景深为1.36cm，而全画幅+50mm F1.4只有0.76cm，要把光圈缩小到F2.4景深才会一致。不过25mm F1.2的最近对焦距离很近，拍拍小品可以获得相当不错的效果：

而且，景深幅度并不完全代表虚化效果的好坏，在此基础上决定虚化效果主要是球差表现和不同位置的光圈形状呈现，好在它们可以直接通过背景光斑来进行观测：

奥林巴斯的F1.2定焦三巨头官方数据全都采用欠校正球差设计，让背景点光源分布成边缘扩散状，从画面质感来看光斑边缘会更柔和，不过从实拍光斑效果来看这种特征倒不是很明显，反而可以很明确的看到色差，也呼应了前面色差测试部分的结论。9片光圈叶全开时可以形成一个明显的圆形，不过口径蚀的影响比较明显，边缘就成了猫眼状，不能说是特别出色，但在M43画幅里已经是最能打了。

总体而言，奥林巴斯25mm F1.2是一颗有着自身特色的标准镜头，体型轻巧、分辨率还不错，价格在F1.2级别镜头里也相对不贵（单看成本空间，小像场真的就可以这么任性）。只是我认为它即便不这么大力堆料，理论上也能达到相当高的水平，疯狂堆料并没有带来理想的性能提升，与比它更便宜的适马50ART差距较为明显，在结合机身后可以说是分辨率/动态范围/信噪比等性能规格没优势、通光量不足使它速度没优势、等效光圈小又让它虚化效果也没优势……所以它的“强”仅限于对比M43画幅镜头，确实强过于自家的25mm F1.8，也比松下25mm F1.4更强。但如果是跨出画幅，哪怕只时选择APS-C为竞争对手，适马30mm F1.4 DC的锐度、色差性能也在其之上，暗角与T值基本一致，畸变奥林巴斯25mm F1.2胜出，但问题是适马30mm F1.4 DC还不到2000块，结合索尼APS-C无反很容易实现反杀，而且是在系统价格几乎相同的情况下。

所以M43镜头最大的优势还得是依靠相对不高的价格、相对不笨重的身段和近乎变态的机身防抖性能来疯狂赚长焦，即便是E-M1X也只有1DX2/D5等同样内置手柄机型2/3的重量，结合PRO系镜头在长焦端会很有特点……至于25mm F1.2嘛，不跨出M43的圈圈它就是独一档的存在，适合就只想玩M43的朋友们。