前言光学中相机与镜头有哪些疑难问题相机中曝光与快门有什么问题镜头变焦和对焦有什么区别为什么镜头的最大光圈处通常成像不佳为什么有些微距镜头不能在远处对上焦工业中红光和蓝光使用上有什么区别为什么工业领域绝口不提ISO这个参数1、光学中相机曝光与快门问题曝光过度主要原因是光圈开得过大进光量过多或者快门速度过慢让光线长时间照射在感光元件上另外感光度设置过高也会使画面整体变亮出现曝光过度的情况。曝光不足与曝光过度相反光圈过小、快门速度过快或感光度设置过低都会导致进入相机的光线过少从而使拍摄的照片显得昏暗出现曝光不足的问题。快门故障快门是相机中较为精密的机械部件长时间使用后可能会出现机械磨损、卡顿或无法正常开合等故障。此外电子快门也可能因为电路问题或软件错误而出现异常。快门时滞从按下快门按钮到相机实际拍摄之间存在一定的时间延迟这就是快门时滞。一些入门级相机的快门时滞可能会比较明显这是因为相机需要时间来完成对焦、测光等一系列操作。2、变焦和对焦有什么区别变焦就是改变镜头的焦距准确说是像距以改变拍摄的视角也就是通常所说的把被摄体拉近或推远。例如18-55mm和70-200mm镜头就是典型的变焦镜头。焦距越长视角越窄。对焦通常指调整镜片组和底片传感器平面之间的距离从而使被摄物在CCD/CMOS上成的像清晰。我们通常说的“调焦”一般指“对焦”。有些人认为定焦镜头不能调焦的说法是错误的。无法准确对焦可能是拍摄场景光线过暗导致相机的对焦系统难以识别对焦目标也可能是被摄物体表面缺乏明显的纹理或反差使得相机无法找到对焦基准另外相机的对焦马达故障或对焦算法出现错误也会影响对焦的准确性。对焦速度慢相机的对焦系统性能有限在面对快速移动的物体时可能无法及时完成对焦镜头的对焦行程较长或者镜头的最大光圈较小都会导致对焦速度变慢此外相机的缓存已满或处理能力不足也会使对焦速度受到影响。镜头畸变光学镜头的光学结构和制造工艺存在一定的局限性会导致拍摄的图像产生畸变。比如广角镜头容易产生桶形畸变长焦镜头则容易出现枕形畸变。镜头眩光当光线直接照射到镜头上时会在画面中产生光斑和雾状效果这就是镜头眩光。这是由于镜头内部的镜片对光线的反射和散射造成的尤其是在逆光或侧逆光拍摄时更容易出现。暗角问题画面四角出现较暗的现象主要是因为镜头在成像时边缘部分的光线衰减比中心部分严重。镜头的光学设计、光圈大小以及相机的画幅等因素都会影响暗角的程度。例如大光圈镜头在全开光圈时暗角现象可能会更明显。3、为什么镜头的最大光圈处通常成像不佳或者说“成像比较肉”追求成像的锐利应该是所有镜头的追求。镜头的光圈值一般从F1.2 - F32不等例如F1.8 - F16对于普通的单反镜头来说通常成像最锐利的光圈值是F5.6或者F8为什么呢这涉及到2个概念一个是球差、一个是衍射。衍射超小光圈处影响锐利度的因素。衍射diffraction是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。在经典物理学中波在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后会发生不同程度的弯散传播。与之相关的概念有爱里斑、瑞利判据感兴趣的可以自行搜索在此不再展开。球差大光圈处影响锐利度的因素。我们通常看到的透镜成像的简化图中平行光通过透镜以后汇聚于一点这点叫做焦点其实真实的情况并非如此。如上图所示。光线既然不能完美汇聚也就不可能产生锐利的成像。当光圈大光圈F值小的时候透镜接收光的圆面很大于是光线的汇聚处会非常分散造成成像不锐利。当光圈缩小的时候透镜接收光的圆面很小这时候光线经过透镜以后汇聚处相对来说更集中一些这样成像也就更加锐利了。当然一般来说对焦不会非常准确光圈小的时候景深更深也会显得更锐利但这是后话了。当然对于实际的镜头来说镜头内部的镜片是很复杂的可能有几片甚至十几片镜片有些镜片的材质还较为昂贵例如萤石它们的主要作用其实就是改善镜头的光学素质校正各种球差、彗差、色散、畸变等等。例如EF 200mm f/2L IS USM镜头4、为什么有些微距镜头不能在远处对上焦这就要从成像的最基本公式讲起了。u是物距v是像距F是焦距。图中U uV vOF F大家都有手机吧用手机拍照的都知道手机能对无穷远处很远处对上焦例如你可以对半米远的茶杯对焦也可以对50米外的高楼对上焦。但是有些定焦微距镜头却不可以例如它只能对10厘米处的物体对焦在其他距离上都不能对上焦。这是为什么呢我们看上面的公式当物距u很大的时候1/u接近于0此时焦距约等于像距。也就是说此时焦点和像面底片重合。焦距的定义是指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离。我们通常认为定焦镜头的焦距不变这种说法当然没有什么问题但值得注意的是焦距是在平行光入射的情况下定义的。另外一种准确的说法是定焦镜头像距不变、视角不变。普通定焦镜头可以认为焦距不变。例如50mm F1.8 它的最近对焦距离是450mm物距比450mm小一点点。根据上面的公式此时1/u就非常小了可忽略此时v≈F即焦点落在像面上。可认为焦距基本不变。但是对于佳能“百微”和尼康“105微”这样的微距镜头来说最大放大比例是1倍此时对焦距离就很近了此时相对于焦距来说1/u就不可以忽略了这时算出来的实际的透镜焦点到光心的距离就不等于之前的焦距了。对于“百微”和“105微”这样的镜头来说由于其极特殊的光学结构既可以在无穷远处合焦也可以在很近的“不同”位置合焦。这是靠移动镜头内部的多组镜片组实现的。说了这么多还是没有解释为什么有些微距镜头只能在确定的位置对焦啊。为了简化问题且易于理解我以单反加装近摄接圈为例很多玩单反的微距爱好者由于囊中羞涩应该都买过近摄接圈进行微距创作如果是50mm定焦镜头加近摄接圈那么镜头的合焦距离就是一个确定的距离。如果是18-55mm变焦镜头加近摄接圈那么镜头的合焦活动范围就是很小的一段距离。为什么呢插一句接圈是什么接圈就是一截接口处有螺纹或者卡口的钢管。好比你想够到高处的东西所以你踩在一个凳子上面脚底到地面的距离强行拉大了。接圈就相当于凳子。说到接圈这又涉及到一个概念——法兰距。法兰距就是镜头卡口到相机底片的距离。那么你接了一个接圈就相当于强行拉长了法兰距。还是看之前的公式由于你强行拉长了法兰距像距v必然变大很多。而焦点到光心的距离F基本变化不大所以像距u会大大较小。假设加了接圈以后像距v 2F 那么此时u 2F ,也就是只有物距等于2F的时候才能完美合焦。这就解释了为什么有些微距镜头不能在无穷远处对焦。也解释了为什么变焦镜头加了接圈以后合焦活动范围有很小的一段距离而不是固定的距离。因为变焦镜头的焦距变化范围大一些5、什么是有限共轭镜头什么是无穷共轭镜头我们在数学里学过共轭复数共轭根由此可知共轭指的是某种互相对应的2个点或者两个元素。像点和物点就是一组共轭点。又涉及到两个乱七八糟的概念叫做入瞳和出瞳在此不展开。无穷共轭镜头像点对应的物点在无穷远处可以理解为很远处。例如这种有限共轭镜头像点对应的物点只能在有限的距离内。如下所示很明显手机摄像头、普通镜头都是无穷共轭镜头而工业微距镜头大多是有限共轭镜头像“百微”、“105微”这样的奇葩既可以是无穷共轭镜头又可以使有限共轭镜头。6、工业中红光和蓝光使用上有什么区别这需要分两个方面来讲。解像力方面蓝光由于波长更短衍射效应更弱因此刻画细节的能力更强拍摄微小的物体蓝光是首选。而红光呢黑白CCD对红光更敏感但其实这优势并不大或许在需要尽量减轻环境光干扰的时候有一点作用。后面可以知道红光源的优势是价格比蓝光源便宜一些拍摄彩色物体方面很多人认为区分彩色物体一定需要彩色相机其实不然。对于一幅RGB彩色图转为有明暗变化的灰度图时遵循的公式通常是这样的结果亮度灰阶值 30%红色 59%绿色 11%蓝色。也就是说不同颜色的物体转为灰色时亮度是不一样的。更神奇的是当你给物体打某种颜色的光的时候再用黑白相机拍得到的灰度图片又不一样。如下图所示有人说你费这么大劲干嘛用彩色相机拍不就得了首先不同相机价格差异因素是一方面更重要的是黑白图片的数据量只有彩色图片的1/3这种差异就会体现在图像处理的速度上。生产速度对于工业生产来说是极为重要的。规律大致可以总结如下用红色光给彩色物体打光然后用黑白相机拍摄物体红色的部分变成亮白色物体白色部分变成浅灰色跟红色差异大的颜色则变成暗黑色黑色还是黑色。具体转换公式不详还有一点需要注意的是红色光源通常要比蓝色光源便宜。红色LED光源制作简单早就发明了出来而蓝色LED的研制则晚了许多2014年的诺贝尔物理学奖授予了3位曾经在蓝光LED研制方面做出卓越成就的科学家由此可见一斑。7、为什么工业领域绝口不提ISO这个参数做工业机器视觉的工程师一般都知道光圈、快门曝光时间但你要问他什么是ISO他多半不知道。工业机器视觉领域有没有ISO这个参数呢有的只不过换了个名字叫做gain增益这个参数一般没人调它一般也不用调。光圈、快门时间、ISO是取得合适曝光的三驾马车三者互相合作也互相制约。ISO通常取值为100-3200。通常ISO越高相机感应光的能力越强相应的噪点也越多画质也越差。对于每一个摄影师来说绝大多数情况下他都希望把ISO固定在100因为这可以获得最纯净的画面但这几乎是不可能的。因为在暗光环境下ISO太低只能强行调大光圈但是光圈是有限的因此只能增加快门时间但是快门时间一长手持拍摄必然糊片。但是在工业领域一般不存在这个问题或者说这个问题是次要问题一是因为工业相机一般不动曝光时间很长也不会糊片另外工业视觉设备光源自带几乎不存在暗光环境。8、为什么是光源的亮度越高越好高亮度光源至少有这些好处光源亮度高快门时间就能降下来有可能可以提高采图速度其次光源亮度高可以大大减轻环境杂光的影响另外光源亮度高可以将光圈缩小而通常缩小光圈可以得到更锐利的画面和更大的景深这些对于机器视觉系统来说是极为重要的。所以选择光源的时候光源亮度越高越好。9、什么是单颗像素质量单颗像素指的是传感器上的一颗像素单颗像素质量通常直接和像素颗粒的大小有关像素颗粒是5um × 5um而很多手机的像素颗粒大小是1.12um × 1.12um或者1.3um × 1.3um这个数值越大表明单颗像素质量越好。主要原因是像素之间存在电讯干扰像素颗粒越小那么相当于相邻像素的间距越小那么越容易产生相互干扰带来的结果是画质纯净度的下降。好比一个小广场有1000个大妈在跳广场舞每个人只分到1㎡的空间这么挤大妈们很可能要干架但是如果只有10个大妈在跳广场舞那么就宽敞舒服多了说不定跳完广场舞还可以摆3张桌子打打斗地主当然剩下一个可以等轮换。结束语:我们一起学习阅读其过程中更进一步声明部分内容来自于网络如有侵权请联系我方核实修改。