1. 镜头规格

1.1 焦距

• 定义：指从透镜中心到光聚集之焦点的距离，也就是在模组中，从镜片中心到Sensor表面的成像平面的距离。
  
• 决定焦距的因素：
  
  • 材料的折射率
  • 凸透镜的曲率半径
  • 光的波长
• EFL：有效焦距(Effective Focal Length)，影响镜头视场角、光圈大小和景深
  当已经被摄物体的大小及该物体到镜头的距离，则可根据以下两个公司估算镜头的焦距：
  $$f=hD/H \quad或 \quad f = vD/V$$
  D: 镜头中心到被摄物体的距离
  H、V：被摄物体的水平、垂直尺寸
  h、v：靶面成像的宽度、高度
• FBL(光学后焦)：光学系统最后端至成像面的长度
• BFL(机构后焦)：Lens最后端至成像面的长度。
• FFL： 前焦距前焦点到第一镜面
• TTL(Total Track Length)： 总长：可分为光学总长和机构总长。在镜头产品中，一般指机构TTL。
  
  • 光学总长：从光学系统的第一个镜片至成像面的长度，如红色部分。
  • 机构总长：从Barrel顶端至成像面的长度，如蓝色部分。
    

1.2 Max Image Circle

• Max Image Circle: 最大像面，镜头最大像面大于Sensor对角线长度，才能匹配，否则产生暗角
  

• 当镜头的成像尺寸比Sensor靶面尺寸大时，不会影响成像，但实际成像的视场角要比镜头的标称视场角小，参见图(1)

• 当镜头的成像尺寸比Sensor靶面尺寸小时，就会影响成像，表现为成像的画面四周被镜筒遮挡，在画面的4个角上出现暗角，参见图(2)

1.3 相对孔径/光阑/光圈

• 为了控制通过镜头的光通量大小，在镜头的后部均设置了光阑（俗称光圈）。假定光阑的有效孔径为d，由于光线折射的关系，镜头实际的有效孔径为D，D与焦距f之比定义为相对孔径A，即
  $$A=D/f$$
• 镜头的相对孔径决定于被摄像的照度，像的照度E与镜头的相对孔径平方成正比，一般习惯上用相对孔径的倒数来表示镜头光阑的大小，即
  $$F=f/D$$
• 式中，F一般称为光阑F数，标注在镜头光栏调整圈上，其标值为1. 4、2、2. 8、4、5. 6、8、11、16、22等序列值，每两个相邻数值中，后一个数值是前一个数值的1.4倍。由于像面照度与光阑的平方成正比，所以光阑每变化一档，像面亮度就变化一倍。F值越小，光栏越大，到达摄像机靶面的光通量就越大。

1.4 视场角

• 水平视场角及垂直视场角
  
  • 镜头有一个确定的视野，镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角。视场角与镜头的焦距$f$及摄像机靶面尺寸（水平尺寸h及垂直尺寸v）的大小有关，镜头的水平视场角$a_h$及垂直视场角$a_v$可分别由下式来计算，即
    $$a_h=2*arctan(h/2f) \quad a_v=2*arctan(v/2f)$$
  • 由以上两式可知，镜头的焦距f越短，其视场角越大，或者，摄像机靶面尺寸h或v越大，其视场角也越大。
• 对角视场角：
  
  • 设Y’为Sensor的对角线长度的一半，则对角视场角为$a_d = 2* arctan(Y'/f)$
    
• 焦距越短，视场角越大，放大倍率越小；反之焦距越长，视场角越小，放大倍率越大。
  
• 如果所选择的镜头的视场角太小，可能会因出现监视死角而漏监；而若所选择的镜头的视场角太大，又可能造成被监视的主体画面尺寸太小，难以辨认，且画面边缘出现畸变。因此，只有根据具体的应用环境选择视场角合适的镜头，才能保证既不出现监视死角，又能使被监视的主体画面尽可能大而清晰。

1.5 光圈值

• 光圈值（F Number） = 镜头焦距（mm） / 光圈直径（mm）或
  F Nnumber = EFL/EPD (EPD:入射瞳孔直径)
• 光圈和快门是控制摄影时光线量的两大工具！
• 光圈指镜头中间开孔的大小，控制着Sensor曝光时光线的亮度。光圈其实就是依据人的眼睛瞳孔架构来设计调整光线多寡，结构是一圈薄且重迭的金属叶片组成，叶片开口构成一圆圈，放大或关小可以控制入光量。
• 光圈的大小是由它的光圈值 (F-number) 来定义。

1.6 主光线角度（Chief Ray Angle）

• 主光线就是光线由物的边缘出射，通过孔径光阑的中心最后到达像的边缘，图中红色的线就是主光线。主光线角度为主光线与平行光线的夹角。
  

1.7 入瞳与出瞳

• 入瞳（Entrance pupil）：是指在物空间中所观测到的孔径光阑（光圈）的像；也就是孔径光阑对前面光学组件所成的像。
• 出瞳（Exit pupil）：是指在像空间中所观测到的孔径光阑（光圈）的像；也就是孔径光阑对后面光学组件所成的像。
  

2. 完善成像条件

• 几何波面
  （不考虑波面受限引起的衍射问题）物点发出球面波，经透镜成为另一个球面波，此球面波的球心即为物点的像。

• 光程
  1）光程=介质折射率 x 光线在介质中传播的距离
  $$S=n \times l$$
  2）当经过多种介质或介质折射率变化时（积分）
  $$S=\sum_i n_i \times l_i$$
• 完善成像条件
  就是物点发出的光线到像点处，如果各条光线经过的光程都相等，则称为完善成像。即等光程是完善成像的条件。

3. 光学系统中的光束限制

实际光学系统与理想光学系统不同，其参与成像的光束宽度和成像范围都是有限制的。

• 光阑(Stop)：在光学系统中，限制成像光束的光孔、或限制成像范围的框（Sensor），都称为光阑。

• 孔径光阑：限制轴上点或视场中央部分成像光束的口径，如上图的$A_1A_2$

  • 入瞳：孔径光阑经过其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间所成的像称为入射光瞳，简称入瞳，它是入射光束的入口。
  • 出瞳：孔径光阑经过其后面的透镜或透镜组在光学系统像空间所成的像称为出射光瞳，简称出瞳，它是出射光束的出口。

• 视场光阑：限制成像范围的光阑，如上图的 $B_1B_2$