镜头光学知识,为什么会产生畸变等相差现象的原因_光学畸变产生的原理[通俗易懂]

光的定义

1、光是一定波长范围的电磁辐射；

2、人眼可见光的波长范围是380-780nm；

3、在几何光学中，光以直线传播；

4、在波动光学中，光以波的形式传播，不同波长的光呈现不同的颜色；

5、光在真空中的传播速度是3×10的8次方m/s,在空气中的速度会慢一些，在折射率大的介质中，速度还要慢一些；

波长的定义

1、是指波在一个振动周期内传播的距离；

各种光的波长

1、红光：波长范围：760~622纳米；

2、橙光：波长范围：622~597纳米；

3、黄光：波长范围：597~577纳米；

4、绿光：波长范围：577~492纳米；

5、青光：波长范围：492~450纳米；

6、蓝光：波长范围：450~435纳米；

7、紫光：波长范围：435~390纳米；

光和别测物的相互作用

1、光落在物体上会发生镜面反射、漫反射、定向投射、慢投射、背反射和吸收。

2、反射发生在不同介质的分界面上，被测物体表面的粗糙程度等细微结构，决定了光线有多少发生漫漫射，多少发生镜面反射；漫反射在各个方向上散射的光线基本是均匀的，对于镜面反射，入射光和反射光在同一平面内，而且他们与反射面法线的夹角是相等的。

3、在两个透明的介质分界面上也会产生反射，这样的反射被称为背反射，从而产生重影；

4、光线透过物体产生投射；

5、透过物体的光线多少称为透射率，同反射率一样，透射率也决定于光线的波长；

镜头

1、镜头是一种光学设备，用于聚集光线在摄像机内部成像；

2、能够产生锐利的图像，以得到被测物的细节；

高斯光学的定义

1、又称近轴光学，是几何光学中研究共轴光学系统近轴区成像规律的一个分支；

2、共轴光学系统是由透镜、反射镜等光学元件组成的系统，其中所有的折射面和反射面都是旋转对称面，并有一个共同的对称轴，称为光轴，一般常见的共轴光学系统中折射面和反射面都是球面，通过所有球面的球心的直线就是光轴，如下图；

位于镜头前方的物在镜头后成像，镜头由两个焦点F和F’,在镜头一侧的平行于光轴的光线经过经过镜头后汇聚到另一侧的对应焦点，主平面P和P’可以由镜头一侧入射的平行光线与另一侧过焦点的对应光线的交点得到，该平面和光轴垂直。虚点线表示的是光轴，为镜头两个折射球面的旋转对称轴。折射球面与光轴的交点为顶点V和V’，节点N和N’的特点是当镜头两边介质相同，节点N和N’为主平面与光轴的交点，如果介质不同，节点就不在主平面上。

3、由上图可以看出，三条光线汇聚于一点，由于像的几何尺寸完全取决于F，F’，N和N’，所以这四个点称为镜头的基本要素；

4、高斯光学系统是理想的光学系统，实际的光学系统一般都不具备理想成像性质，但是在光学系统初步设计阶段，高斯光学的理论和有关公式由其重要的实用意义；

像差

1、全称色像差，实际工作中的光学系统和高斯光学系统（理想的光学系统）所获得的结果不一致，有一定的偏离，实际成像相对于近轴成像的偏离称为像差；

2、近轴光线是入射到近轴球面上并于光轴的夹角很小的光线；

3、像差主要分为球差、慧差、场曲、像散、畸变、色差以及波像差；

4、像差一般分为两大类，色像差和单色像差，设像差是由于透镜材质的折射率是波长的函数，由此而产生的像差，可以分为位置色差和放大率色差；

5、单色像差，指即使在高度单色光的情况下也会产生的像差，又分成使像模糊和使像变形两种；

球差

1、球差的产生是由于远离光轴的光线于近轴光线并不相交于一点，这是由于球面镜头边缘的折射增大造成的，如下图：

慧差

1、和光轴称一定角度的光线通过镜头后不汇聚于一点，这种情况下，像不是圆形的而是类似彗星形状，因此这种像差被称为慧差，如下图：

像散

1、轴外物点（物体上的点）和光轴所定义的平面称为子午平面；

2、过光轴且于子午平面相互垂直的平面称为弧矢平面。

3、轴外物点发出的在子午平面和弧矢平面上的光线通过镜头后不交于一点，而是聚焦称两条短线，分别垂直于子午平面和弧矢平面，基于这一特征，这种像差称为像散，这两条短线分别称为子午绞线IT和IS。在这两者之间的某一个位置会得到最小的弥散圆斑。

场曲

1、子午像和弧矢像不一定在同一像平面上，实际上，子午像和弧矢像所在的面甚至不是平面，这种像差称为场曲，场曲导致了不可能使整个图像完全聚焦。导致图像中心清晰，而边缘散焦严重，如下图：

畸变

1、通过光轴的直线不产生变形，还是一条直线，而不经过光轴的直线通过镜头后成的像不再是一条直线，这中像差就是畸变，畸变分为枕形畸变和桶形畸变。

2、以光轴为圆心的圆所成的像是或大或小的圆，这种畸变称为径向畸变；

3、如果镜头的各个光学元件的中心线不在同一条直线上，则会产生偏心畸变；

总结

1、通常情况下，不可能设计出完美的镜头系统来消除像差，因此，镜头设计者在设计时，是会考虑各种像差之间的权衡；

2、尽管目前像差已经很小了，但是在高精度特征提取算法中仍然很明显，这是由于像差会造成不对称灰度轮廓，影响所有的亚像素算法；

3、对于某些镜头，还存在另外一种情况，就是其采集的图像边缘亮度有很大的下降，这种效果称作渐晕，造成这一现象的原因有很多种，可能是焦距过小；

4、我们在选择镜头时尽量选择焦距比较大的镜头，可以减小像差，在相同品牌和其它参数相同的情况下；

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