日盲紫外镜头 | 联合光科

日盲紫外镜头

由于大气平流层中的臭氧对波段为200nm-300nm的紫外光有强烈的吸收作用，近地大气中几乎不存在该波段的太阳光，因此该现象称为日盲，200nm-300nm波段称为太阳辐射的日盲区。也有说法，定义日盲区的波段为200nm-280nm。联合光科的日盲紫外镜头工作波段是240-280nm，焦距为116mm，常用于电弧检测等户外场合。

产品特点：
1. 针对240-280nm进行优化设计；
2. 最大像面18mm；
3. 焦距116mm，利于远距离成像；

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镜头是成像部件，它收集被观测物体发出的光，在后方成像。镜头配合相机使用，相机是记录镜头所成像的部件，相机本身不能成像。
镜头有许多参数，可以根据实际使用需求选择合适的参数。
以下是镜头参数的解释说明。

1. 焦距

焦距是指镜头的光学中心（光学后主点）到成像面焦点的距离，平行光通过镜头汇聚于一点，这个点就是所说的焦点，是镜头的重要性能指标。
一般常用的工业镜头的焦距为8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm等。
焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式。
焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，观察的范围大；焦距数值大，视场角小，观察范围小。

图1：镜头焦距与工作距离选择

焦距f ÷ 工作距离 WD = 传感器横向尺寸 ÷ 横向视野尺寸 = 传感器纵向尺寸 ÷ 纵向视野尺寸

后焦距：镜头最后一个镜片表面顶点到焦点的距离。因对焦时镜头后镜片可能移动，一般标注无穷远对焦时的后焦距，也就是最小后焦距，有限距离成像时后焦距会增大。

2. F值
光圈F值又称为光圈数，是镜头焦距与有效孔径(即光圈)之比。

光圈数 = 焦距 ÷ 有效孔径

F值衡量光学系统通光量的大小。

图2：光圈与景深

一般镜头会标注最小光圈数，即最大通光孔径。如F1.4，F1.8，F2.0等。
光圈的调节会有两个主要影响：成像亮度与景深。
光圈越大，进入系统的光线越多，图像亮度越高；光圈越小，进入系统的光线越少，图像越暗。
光圈越大，景深越小，虚化明显；光圈越小，景深越大。

图3：大光圈通光量大，景深小虚化明显

3. 视场角

在光学系统中，以镜头为顶点，以被测物体通过镜头的较大成像范围的两边缘构成的夹角叫做视场角。视场角的大小决定了镜头的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率也就越小。
视场角与传感器尺寸有关，镜头的视场角应标明标准传感器尺寸。

以联合光科16mm 2/3" 5M 定焦镜头为例：

传感器尺寸	视场角（对角×水平×垂直）	对象大小（在最近对焦距离处）
2/3"	38.0°×30.8°×23.4°	145.6×116.5×87.3mm
1/2"	28.1°×22.7°×17.1°	105.9×84.6×63.5mm
1/3"	21.3°×17.1°×12.9°	79.4×63.5×47.6mm

表1：16mm镜头传感器与视场大小

使用某一款相机，在相同工作距离下拍摄，不同焦距的镜头也会有不同的视场角。

图4：同款相机，相同工作距离，不同焦距的拍摄效果（注：图中所标为水平视场角）

视场角与焦距有关，如下图片：视场角与镜头焦距。

图5：镜头焦距与视场角

4. 畸变

理想的镜头成像，物平面与像平面上的放大倍率是固定的，但实际这一性质只有在图像中心区域的小视场才具备。图像的放大倍率会随着视场增大而变化，使成像产生失真。
镜头对被摄物体所成的像相对于物体本身的失真程度称为畸变。
通常分为两种：
枕形畸变：镜头成像画面呈向中间收缩的失真现象。
桶形畸变：镜头成像画面呈桶形膨胀状的失真现象。

图6：枕形畸变与桶形畸变

畸变会使图像变形，但不影响成像分辨率，可以使用软件校正。

5. 接口
相机和镜头的连接方式即为镜头的光学接口，业内对于光学接口已经形成了标准的规范。例如CS口、C口、F口。在工业应用中，一般C口和CS口用在小传感器尺寸相机上，F口用在大传感器尺寸相机上。此外，还有线阵相机常用接口M42、M58、M72等，顾名思义这些就是某个直径的螺纹口。

卡口	机身相场定位(法兰)距离	接口类型
C	17.526mm	螺纹M25.4×0.8
CS	12.5mm	螺纹M25.4×0.8
F	46.5mm	三爪卡口
M42（SLR型）	45.5mm	螺纹M42×1
M42（T型）	55mm	螺纹M42×0.75
M58	11.48mm	螺纹M58×0.75
M72	11.48mm	螺纹M72×0.75

表2：镜头接口规格

6. 最大传感器尺寸

镜头在像平面的成像是圆形，但接收图像的传感器通常为矩形，所以最终保存的图像是矩形。镜头成像尺寸会以通用尺寸的传感器设计，使得圆形像外接矩形传感器，这个传感器尺寸就是该镜头的最大传感器尺寸。
如果使用更大尺寸的传感器，四个角会在镜头圆形像之外。
可以使用更小尺寸的传感器，传感器只采集到圆形像较小区域，视场和视场角会变小。

传感器尺寸	对角线长度/mm	水平长度/mm	竖直长度/mm
1/4"	4	3.2	2.4
1/3"	6	4.8	3.6
1/1.8"	9	7.1	5.3
2/3"	11	8.8	6.6
1"	16	12.8	9.6
4/3"	22	17.6	13.2

表3：传感器尺寸

(左图) 图7：视场角与传感器、（右图）图8：像圈外接在匹配的传感器四角

7. 入瞳与出瞳

入瞳距离：入瞳是限制入射光束的有效孔径，是孔径光阑被前方光学系统所成的像；入瞳距离是入瞳与镜头第一个镜片表面的距离。
入瞳直径：孔径光阑对前方光学系统所成的像的大小。
出瞳距离：出瞳是限制出射光束的有效孔径，是孔径光阑被后方光学系统所成的像；出瞳距离是出瞳与镜头最后一个镜片表面的距离。
出瞳直径：孔径光阑对后方光学系统所成的像的大小。

孔径光阑

图9：入瞳与孔径光阑

镜头中对入射光束有限制作用的，如透镜边缘，螺纹，镜筒壁等，都可以称为光阑。
如图，1，2镜片边缘，3光圈都可以限制入射光束，图中能通过1号镜片的光束只有一部分能进入2号镜片，通过2号镜片的光束只有一部分能进入3号光圈，所以3号光圈最终限制能进入镜头成像的光束大小。
最终限制镜头入射光束大小的光阑称为孔径光阑。
表示孔径光阑的大小并非实际尺寸，而是通过前方或后方所有光学元件成像的大小。图中，在A点观测时，3号光圈被1号和2号透镜放大成4号虚像，A点发出的光经1号2号透镜进入3号光圈，与光从A点直接进入4号等效。把光圈对两个透镜所成的4号像称为入瞳。
孔径光阑被前方光学系统所成的像，叫做入瞳，像的直径为入瞳直径。
孔径光阑被后方光学系统所成的像，叫做出瞳，像的直径为出瞳直径。

8. 光学总长
镜头第一片镜片表面到像平面的距离。

图10：光学总长

9. 放大倍率

是指物体通过镜头在焦平面上的成像大小与物体实际大小的比值。定焦镜头一般成倒像，放大倍率带负号。
对同一个镜头而言，光学倍率与被拍摄物体距离镜头的远近有关；在最短工作距离对焦时，光学倍率最大。

8mm 2/3" 5M 定焦镜头对焦距离与放大倍率


对焦距离	放大倍率	前景深(mm)	后景深(mm)	对焦距离	放大倍率	前景深(mm)	后景深(mm)
100mm	-0.072	1.019	1.066	350mm	-0.023	17.924	21.972
150mm	-0.050	2.392	2.552	400mm	-0.020	23.241	29.297
200mm	-0.039	6.366	6.984	500mm	-0.016	35.204	50.558
250mm	-0.031	12.981	16.026	750mm	-0.011	70.795	81.776
300mm	-0.026	26.267	14.553	1000mm	-0.008	160.004	160.975

表4：对焦距离与放大倍率

10. 景深

镜头对某一物平面对焦后，在对焦平面的前后都有一段能清晰成像的范围，分别称为前景深和后景深。
景深=前景深+后景深；

图11：景深

像方弥散圆：成像光束未会聚于一点，在像平面上形成一个扩散的圆形投影，称为弥散圆。
景深ΔL=ΔL1+ΔL2
δ：弥散圆直径；
f ：焦距；
F：光圈F值；
L：工作距离；

减小光圈（增大F值）、增加工作距离、选择小焦距镜头均可使景深增加。

11. 工作距离

指从镜头前部到被观测物体的距离。

12. 主光角CRA

镜头CRA，表示镜头主光线与光轴的夹角。主光线是从被观测物体发射，经孔径光阑的中心到成像的光线。
传感器CRA：可以聚焦到像素上的光线的最大角度。超过此角度的光束不能完全被传感器接收。
一般要求镜头CRA不大于相机传感器CRA。

图12：传感器主光角

a.像素上方聚光透镜，b.金属导线，c.光电转换区域。

图中1号光线主光角超过传感器CRA，光线无法到达光电转换区域；2号3号主光角小于传感器CRA，光线可以到达光电转换区域。

13. 分辨率
镜头的分辨率是指镜头可以分辨两个靠近的点的能力，也称为解析力。镜头分辨率通常使用MTF曲线表征。MTF曲线表示空间频率与传递函数值的关系。空间频率是每mm线对数，可以代表两个点的靠近程度。传递函数代表反差即能分辨出两个靠近点的程度。
传感器分辨率一般指横向与纵向像素数乘积，如500万像素，传感器横向与纵向像素数为2560×1920。单个像素即像元的尺寸，与传感器的尺寸和分辨率相对应。可以根据表3传感器尺寸除以像素数量，得到像元尺寸。如2/3" 500万传感器，像元尺寸3.4μm。镜头的分辨率应与像元尺寸匹配。通常按照线对尺寸的一半选择像元尺寸。例如，1/1.8" 小像元镜头，是230lp/mm高分辨率设计，线对尺寸1000/230μm=4.34μm，匹配像元尺寸为4.24/2μm=2.17μm，可以匹配市面上2.2μm的传感器。选择比2.2μm小的像元，并不能带来更丰富的细节。

14. MTF曲线

横轴表示空间频率，即每mm线对数。纵坐标表示传递函数，数值为1，线对对比明显，可清晰分辨；数值为0，线对没有反差无法分辨。
图14中有多条曲线，每条曲线都标注像高。0mm表示轴上MTF数值，4.5mm表示轴外像高4.5mm的MTF数值。不同像高的MTF曲线趋势一致不分散，表示镜头轴上轴外一致性高。黑色直线代表受衍射极限限制的MTF数值。
在低频空间的MTF反应镜头反差，高频空间的MTF反应镜头分辨率。理想的成像镜头MTF曲线应缓慢下降。