聊聊camera之镜头 Lens

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Lens之前在Lidar中作用有的是非成像的，在camera中的作用是成像的。

成像？

理想的成像，要求物体的每一个物点，在像方有一个对应的像点，物体在光源照射下，它的每一个被照射的点，都会向各个不同的方向漫反射出光（这种反射/散射有不同的模型，经典的如Lambort散射，BRDF等）。将这些漫反射的光重新汇聚起来，就是大部分成像透镜做的事，而滤除其他方向来的杂散光，仅保留物体众多漫反射光线中的直线部分，就是小孔成像的原理，一些早期的手机屏下指纹原理也运用了这种只保留主光线的思路。
光学名词解释.drawio

名词解释

贴一个常用的透镜datasheet里会提及的参数

焦距

焦距的物理意义是大家都学过，即平行光经过透镜后，汇聚到一点，这个点和透镜中心的距离，就是焦距。
通常我们在近似薄透镜的成像计算中，都只用计算主光线Chief Ray，主光线是经过光轴中心的光线，可以直接表示出物像各点之间的共轭关系，主光线和光轴之间的夹角被称为主光线角度Chief Ray Angle（CRA）,CRA在Sensor端Micro Lens设计中有一些意义，之后在CIS中再细讲一下。
$\frac {1}{u}+\frac {1}{v}=\frac {1}{f}$
不得不放出经典的高斯公式，这其实也是根据主光线的三角关系推导的，有兴趣的同学自己推一下。

焦距其实是衡量透镜聚光能力的一个参数，焦距越长，透镜的聚光能力越弱，清晰成像的距离就越远。所以我们看很多老法师用的长焦镜头都很长，一方面就是因为长焦镜头成像物理上就需要很长的距离。

光圈/通光孔径/F数

弥散圆：
理想的，一个物点的像在像方是一个理想的点，而在实际情况中，这个点实际上是一个圆斑，被称为弥散圆/弥散斑，这个弥散圆是随着像方平面移动不断变化的。当这个弥散圆的大小，小于sensor的可分辨最小尺寸时（通常被认为是pixel size），可以认为这个弥散圆所对应的前焦到后焦的距离，为焦深/景深。当然，这里还可以叠加瑞利判据等概念，来使得这个焦深的计算更精确一些，这里也就不展开了

所以可以看出，光圈越小，景深越大，sensor放在固定的位置，能够看到的不同深度上的物体更多。
光学名词解释2

数值孔径

$\textrm{Numerical Aperture (NA)} = \ n \times \sin\theta$

数值孔径（Numerical Aperture，NA）是用于描述光学系统中透镜或光学器件能够接收或发射光线的能力的一个重要参数。 $\theta$ 则是光进出透镜时最大锥角的一半。NA的本质是衡量光学系统中光线的收集和发散能力，是入射光线在介质中传播时的角度范围，它可以帮助我们了解透镜或聚光镜的收光能力和空间分辨率。

在某些情况下，我们可能需要用到这个参数。例如，当我们要评估一个光学系统的性能时，数值孔径是一个重要的技术参数。它。此外，在光纤领域，数值孔径描述了光进出光纤时的锥角大小，是光纤通信和传感等领域的重要参数。

小孔模型

我们在做镜头标定时，也常用小孔模型（有的又叫针孔相机模型Pinhole Camera Model）来近似成像模型，而小孔成像模型和凸透镜成像模型有相似的地方也有不同的地方，如理想的小孔模型的放大关系是完全由物距和像距的比例决定的（相似三角形的关系）它可以随意摆放和变化，且处处都是清晰的，而凸透镜成像的物像关系是确定的，这与透镜的焦距相关，在不满足物像关系的位置是不完全清晰的。

光学名词解释3

如何选择一个镜头？

焦距 $f$ ： 首先考虑需要的视场大小和焦距。视场角决定了镜头能够捕捉到的范围，而焦距决定了图像的放大程度。
分辨率： 确定所需的图像分辨率。高分辨率要求可能需要高质量的镜头来确保图像清晰度和细节。
光圈： 考虑光圈大小和光学特性对于光线的控制，以及在不同光照条件下的表现。光圈较大的镜头在低光条件下表现更好，但相对的景深表现会差。
镜头类型： 根据应用需求选择合适类型的镜头，比如定焦镜头、变焦镜头或鱼眼镜头。不同类型的镜头适用于不同的应用场景。
适配传感器： 传感器也对镜头有一定要求，带micro lens的传感器会有其CRA 曲线，适配CRA曲线会得到更好的成像效果；当然，除了CRA以外，分辨率适配、FOV的适配也很重要。

镜头的不同参数也有对应的验证方法，这里就不一一赘述了。

今天的文章聊聊camera之镜头 Lens分享到此就结束了，感谢您的阅读。