相機光學(一) 成像系統解析度的理論

2021-09-24 23:33:42 字數 1547 閱讀 8312

參考資料:

1.鏡頭選型

一般在對相機與鏡頭選型時,在解析度匹配方面,為了方便記憶鏡頭與相機的匹配關係,人們常採用對應相機的解析度來命名鏡頭。這種命名方式其實並不科學,同時給新接觸視覺系統的人帶來了很多誤解,經常會機械的套用百萬畫素解析度相機對應百萬畫素鏡頭,二百萬畫素解析度相機對應二百萬畫素鏡頭,而五百萬畫素解析度相機則對應五百萬畫素鏡頭。其實鏡頭與相機對應的並不是相機自身的畫素解析度(畫素數),而是各自的極限空間解析度(即傳遞函式mtf對應的空間截止頻率)。

mtf是空間解析度的一種表徵方式,單位:線對/mm。每個光學或光電成像器件都有各自的mtf,鏡頭有mtf,相機也有mtf。光學器件或光電成像的器件的mtf越好,或者mtf對應的空間截止頻率越高,證明器件自身的空間解析度越好,越能看清更小的細節。mtf對應的空間截止頻率又叫極限空間解析度。鏡頭的極限空間解析度必須高於相機的極限空間解析度,這樣才能讓相機實現最佳成像效能。

百萬畫素的鏡頭對應的極限空間解析度為90線對/mm,兩百萬畫素的鏡頭對應的極限空間解析度為110線對/mm,五百萬畫素的鏡頭對應的極限空間解析度為160線對/mm。按照相機鏡頭的匹配原則,鏡頭的極限解析度需大於或等於相機的極限解析度,那麼百萬畫素鏡頭配合的相機的極限解析度必須小於90線對/mm,兩百萬畫素鏡頭和五百萬畫素鏡頭所配相機的原理相同。

90線對/mm

一百萬畫素

110線對/mm

兩百萬畫素

160線對/mm

五百萬畫素

根據奎斯特取樣定理,某乙個方向的取樣空間解析度為其空間解析度的2倍,則有公式:1/(單個像元尺寸*2),單位:線對/mm。決定相機極限解析度是單個像元尺寸的大小。

鏡頭的光學效能一般用焦距f、相對孔徑d/f(倒數為f數,決定了鏡頭的解析度和採光能力)、視場角,鏡頭的解析度是對黑白條紋密度的分辨能力,鏡頭能分辨的最高密度值為該鏡頭的極限解析度。其理論解析度由衍射極限和瑞利判據共同確定,其公式為:

對於焦距,有焦距=工作距離*放大倍數/(放大倍數+1);但核心公式為:

2.感光晶元器件

常見的ccd或者cmos的感光尺寸如下:

1/3英吋

(4.27mm x 3.2mm)

1/2英吋

(6.4mm x 4.8mm)

1/1.8英吋

(7.1mm x 5.3mm)

1/1英吋

(12.8mm x 9.6mm)

相機在物方空間解析度為:光學格式尺寸 x 16mm x 器件解析度本領 / 視場大小

另外由解析度為nr的感光成像晶元和解析度為n1的鏡頭組成的系統的解析度為:

此時成像系統物方的空間解析度本領為:

n= 光學格式*16mm * n / 視野大小

ps:fov-h/sos-h = fov-w/sos-w=單個畫素對於的相應大小

使用背光源的精度為1-3個畫素

使用正光源的精度為3-5個畫素

或者一成不變,或者現在改變

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