鏡頭也論分辨率？畸變率和遠(yuǎn)心度又是什么？

上一期我們講了對比度和均勻度，今天我們來講一講另一個(gè)容易和別的領(lǐng)域混淆的參數(shù)，鏡頭參數(shù)中的分辨率。

和屏幕的分辨率不同，鏡頭的分辨率不是用橫×高的形式，主要是因?yàn)楣鈱W(xué)成像系統(tǒng)的分辨率不描述像素?cái)?shù)，描述的是一毫米能分辨的清的線對數(shù)來表示的，如下圖1-1所示。一對黑線和白線稱為線對。分辨率的單位為線對每毫米（lp/mm）。分辨率一般由N.A（數(shù)值孔徑）和波長來決定。

1-1

分辨率為兩點(diǎn)間在無法識別前，能靠近的最近距離測量值，舉例說明，當(dāng)1mm的線對數(shù)達(dá)到56對時(shí)，黑線和黑線開始連在一起分辨不清，那我們說該鏡頭的分辨率為55lp/mm。

分辨率作為光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的評價(jià)方法并不是一種完善的方法，主要是分辨率的測量受到很多條件影響，比如用于分辨率檢測的鑒別率板本身，檢測時(shí)的亮度，檢測用的接收器等等因素，比較明顯的是，光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨率也會(huì)被系統(tǒng)的反差影響，即上一篇文章講解的對比度，如圖1-2所示。總的來說用分辨率來描述一套光學(xué)系統(tǒng)并不足夠準(zhǔn)確，但由于分辨率指標(biāo)單一，便于測量，在光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)檢測中依然得到了廣泛應(yīng)用。

1-2

聊完了那些容易和別的領(lǐng)域混淆的參數(shù)，我們來聊一聊比較常出現(xiàn)在光學(xué)成像系統(tǒng)的參數(shù)，那就是畸變，也叫失真。指信號在傳輸過程中與原有信號或標(biāo)準(zhǔn)相比所發(fā)生的偏差。在理想的放大器中，輸出波形除放大外，應(yīng)與輸入波形完全相同，但實(shí)際上，不能做到輸出與輸入的波形完全一樣，這種現(xiàn)象叫失真。那么在多種系統(tǒng)中都存在畸變，我們這里主要講物理畸變和攝影畸變。

1、物理畸變

它是像差的一種。物體上的直線經(jīng)過透鏡成像后變成彎曲的現(xiàn)象。畸變是由于透鏡的放大率隨光束和主軸間所成角度改變而引起。光線離主軸越遠(yuǎn)，畸變越大，但是若與主軸正交并通過主軸，則不發(fā)生畸變。放大率隨入射角度增加而增大時(shí)稱正畸變；放大率隨入射角度增加而減小時(shí)負(fù)畸變。換句話說，若物點(diǎn)離開光軸越遠(yuǎn)，放大率越大，就產(chǎn)生畸變，如果物點(diǎn)離開光軸越遠(yuǎn)，放大率越小則產(chǎn)生負(fù)畸變。特別是鏡片屈光度大時(shí)，像的畸變現(xiàn)象嚴(yán)重。由于畸變，看物體，像失去了原來的正確形狀。減小畸變的方法是，對單一透鏡改變鏡片的外形，采用更佳的外形可以使畸變減小到更小程度。

2、攝影畸變

拍攝四方形的物體時(shí)，使周圍拍成卷翹或膨鼓的現(xiàn)象。使用焦距長的鏡頭不易做到，但用廣角鏡頭，則明顯。由于主光線的光路偏離而引起的成像缺陷。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)校正好球差、彗差、像散和像面彎曲四種像差時(shí)，主光線與高斯像面的交點(diǎn)即為像點(diǎn)所在，并且是清晰的。但是當(dāng)主光線與高斯像面的交點(diǎn)高度y與相應(yīng)物點(diǎn)的理想成像高度y不等時(shí)，使像發(fā)生變形，與原來物體不相似。常見的畸變有枕形畸變和桶形畸變。

2-1

在一般的光學(xué)系統(tǒng)中，只要畸變引起的圖像變形不為人眼所覺察，是可以允許的，這一允許的畸變值約為4%。但是有些需根據(jù)圖像來測定物體尺寸的光學(xué)系統(tǒng)，如航空測量鏡頭等，畸變則直接影響測量精度，必須對其嚴(yán)加校正，使畸變小到萬分之一甚至十萬分之幾。

這里我們再講解一個(gè)在遠(yuǎn)心鏡頭中常提到的參數(shù)——遠(yuǎn)心度。遠(yuǎn)心度是描述主光線偏離于光軸的角度，角度越小遠(yuǎn)心度越好，成像就越精確。

我們以圖3-1為例子，我們使用遠(yuǎn)心鏡頭觀察一斜面，由于遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)可以消除成像的透視效果，也就是說不會(huì)出現(xiàn)近大遠(yuǎn)小的現(xiàn)象，那么此時(shí)的成像應(yīng)該是一個(gè)長方形。但如果鏡頭的遠(yuǎn)心度不好，那么成像結(jié)果就會(huì)呈現(xiàn)梯形畸變，這種梯形畸變本質(zhì)上是透視誤差。由于遠(yuǎn)心鏡頭被設(shè)計(jì)為只接受平行光，所以理論上光線不應(yīng)該有偏離角度，一個(gè)理想的遠(yuǎn)心鏡頭遠(yuǎn)心度是0°，此時(shí)完全沒有透視誤差。

3-1

3-2 光虎遠(yuǎn)心鏡頭實(shí)測畫面，正在測試鏡頭全視野遠(yuǎn)心度和畸變率一致

【來源：光虎光學(xué)】