[摘抄]Camera模组之lens（镜头）篇

镜头Lens

lens在相机中的位置、长相、作用：

Lens是一个能够接收光信号并汇聚光信号于感光器件CMOS/CCD的装置。 LENS的作用：汇聚光线，在CMOS/CCD上形成景物的图像，为了成像清晰，减少像差，镜头用多片镜片组合，根据需要通过调整LENS获得拍照所需要的焦距。

2.lens的组成和指标：

镜头是由一片或多片弧面（通常为球面）光学玻璃组成的透明光学部件。材料通常为塑胶透镜（plastic）或玻璃透镜（glass）。

光通过透镜 (1)，被反光镜(2)反射到磨砂取景屏(5)中。通过一块凸透镜(6) 并在五棱镜(7)中反射，最终图像出现在取景框(8)中。当按下快门，反光镜沿箭头所示方向移动，反光镜(2) 被拾起，图像被被摄在CCD(4)上，与取景屏上所看到的一致。

Lens 的主要指标：A、消除尽可能多Flare。B、画质清晰度。C、CRA(Chief Ray Angle主光线角度)要match，减少shading。D、光圈尽可能的大。 E、Distortion 尽可能的轻微等

CRA: Chief Ray of Angle， Lens cra < Sensor CRA, 相差最好在2度以内，否则容易造成阴影或偏色

3.lens的主要参数：

（1）．焦距：镜头焦距的长短决定着拍摄的成像大小，视场角大小，景深大小和画面的透视强弱。一般来说对于单片镜头就是镜头中心到焦点的距离，而相机镜头是由多片透镜组合，就要复杂许多。这里焦距就指的是从镜头的中心点到感光元器件（CCD）上所形成的清晰影像之间的距离。

焦距相当于物和像的比例尺，当对同一距离的同一目标拍摄时，镜头的焦距长所成的像大，焦距短所成的像小。

物象的比例：

说明：f ：镜头焦距； w：图象的宽度(被摄物体在ccd靶面上成象宽度) ；W：被摄物体宽度；L：被摄物体至镜头的距离；h：图象高度(被摄物体在ccd靶面上成像高度)视场（摄取场景）高度；H：被摄物体的高度。

（2）．视场角：我们常用水平视场角来反映画面的拍摄范围。焦距f越大，视场角越小，在感光元件上形成的画面范围越小；反之，焦距f越小，视场角越大，在感光元件上形成的画面范围越大。

（3）．F值（口径比）：F 值即指镜头之明亮度(即镜头的透光量)。F=镜头焦距/光圈直径。F值相同,长焦距镜头的口径要比短焦距镜头口径大。

（4）．光圈：光圈是位于镜头内部的、可以调节的光学机械性阑孔，可用来控制通过镜头的光线的多少。可变光圈(Iris diaphragm)。镜头内部用来控制阑孔大小的机械装置。或指用来打开或关闭镜头阑孔，从而调节镜头的f-stop的装置。

（5）．景深：

当某一物体聚焦清晰时，从该物体前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都相当于是清晰的。焦点相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深。

4、lens的光学原理：

（1）光的反射和折射。光线从介质1（空气）斜射入其它介质时，除过一部分光线被反射外，还有一部分光线进入介质 2 ，发生折射现象。对于镜头而言是需要尽可能多的增加折射光，减少反射光。

Snell’s law(折射定律)： n sin = n’ sin

光学系统

主平面：成像放大率等于1的一对共轭面，如图中B,B’
主点：主平面与光轴的交点，如图中H,H’
焦点：平行光轴入射光线与光轴的交点, 如图中F,F’
焦平面：焦点所在的垂直于光轴的平面
焦距：焦点与主点的距离, 如图中f,f’

节点：入射光线与出射光线平行时，两光线延长线与光轴的交点。N1和N2分别为物方与像方节点。物空间介质与像空间介质相同时，节点与主点重合。

理想光学系统特性：

平行于光轴的光线经理想光学系统后必通过像方焦点；
过物方焦点的光线经理想光学系统后必为平行于光轴的光线；
过节点的光线方向不变；
任意方向的一束平行光经理想光学系统后必交于像方焦平面上一点；
过物方焦平面上一点的光线经理想光学系统后必为一束平行光。

（2）光的色散：白光穿过三棱镜后发生色散，从上往下依次产生红橙黄绿蓝靛紫的光束。是因为在相同介质中，上述光线的折射率依次增大，偏折程度依次增大。就将复色光中不同频率的光分开了。

（3）小孔成像：非透明的板中间留有小孔，物体通过小孔会在像面上成反转倒立真实的像，像的清晰度受小孔的大小影响，孔小不能感应化学物质，孔大模糊。

（4）透镜成像：利用不同类型的玻璃所产生的特定的折射率和色散，让光线偏向并集中强度和大小，是镜头设计的最基本理论。

（5）像差：是光学中，实际像与根据单透镜理论确定的理想像的偏离。这些偏离值是折射作用造成。可通过透镜的组合减小到最低程度。

分为两大类：

A、单色像差是指即使在高度单色光时也会产生的像差，按产生的效果，又分成使像模糊和使像变形两类。前一类有球面像差、彗形像差和像散。后一类有像场弯曲和畸变。

B、色像差简称色差：由于透镜材料的折射率是波长的函数，由此而产生的像差。它可分为位置色差和放大率色差两种。

①单色像差有著名的赛德尔五像差：

a．球面像差（spherical aberration）：一个理想的镜面(顶端)，能经所有入射的光线汇聚在光轴上的一个点，但一个真实的镜面(底端)会有球面像差：靠近光轴的光线会比离光轴较远的光线较为紧密的汇聚在一个点上，因此光线不能汇聚在一个理想的焦点上。（分为负球面像差，正球面像差）。

现象：整个孔径光束的垂轴球差在像面上形成了一个对称于光轴的圆形弥散斑，严重时使轴上点成像变得模糊不清。

b．佩兹瓦尔像场弯曲（Resolution）：像场弯曲是因镜片缺陷，使垂直于主光轴的物平面上发出的光经透镜成像后，清晰的最佳实像面不是平面而是一个曲面的一种像差

c．畸变（Distortion）：像平面上不同位置有不同的放大率. 广角镜头容易产生桶形畸变。长焦镜头容易产生枕形畸变. 畸变与物像点离光轴的垂直高度的立方成正比，因此，物像四角的畸变比物像的四边的畸变程度大.

d．像散（Astigmatism）：一束光线可分为水平方向震动和垂直线方向震动两部分。当光线从偏离中轴的斜角度射入，有机会出现水平面光线和垂直面光线聚焦在主轴不同位置的误差。两个焦点之间所产生的影像会变得模糊，边缘像渗开一样。

e．彗形象差（coma aberration）：光轴外的某一物点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在象平面上会形成不对称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状呈彗星形，即由中心到边缘拖着一个由粗到细的尾巴，其首端明亮、清晰，尾端宽大、暗淡、模糊。这种轴外光束引起的像差称为彗差。

现象：入射光束对于主光线是对称的，系统存在慧差，出射光线也不对称，造成像不是一个点而是一个彗星状的弥散斑

②色像差分为两类：

a．轴向色差（Axial chromatic aberration）：指的是光轴上的位置，因波长不同产生不同颜色有不同焦点的现象。如上图，红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片。与物高无关的像差。轴向色像差涉及到成像的焦点距离，引起色彩产生松散或光斑(flare)。

一般，大口径镜头容易产生这种像差，缩小光圈可以减少轴向色差，使画质改善

b．倍率色差Chromatic difference of magnification）：与物高一次方成正比的像差。它使不同波长光线的像高不同，在理想像平面上物点的像成为一条小光谱。指像的周围因光线波长的差异，所引起的映像倍率之改变。倍率色差表现在像的边缘有扩散的彩色条纹，涉及到成像的大小，在画面周围引起色彩错开，形成扩散的彩色条纹，如镶边(fringing)现象。是一种轴外像差，随视场角的增大而增大，但在光轴中心为零。

（6）LensShading：

产生的原因：a、入射光线角度的大小。当入射光线的角度较小时，反射的光就少，同时由于lens 表面上有一层镀膜，也会提升镜头的透光性，减弱反射光。这样就使得中心的聚光能力比四周强。中心和四周的亮度差增大。b、主光线进光角度过大，导致光无法有效進入sensor 的micro lens內, 造成lens shading较严重。