04 透镜原理
接下来学习视觉传感器的工作原理,研究从光进入镜头,到图像数据进入 SDRAM 缓冲区的过程。本节先看镜头。
1. 小孔成像
视觉成像的研究可以追溯到早期的暗箱。达芬奇的手稿展现了小孔成像的原理:在暗箱上开一个小孔,就可以得到上下颠倒、左右相反的投影。
把它简化来看,暗箱外物体的高度为 H,暗箱内成像的高度为 h。
图中对顶角相等,又都是直角三角形,所以两个三角形相似。相似三角形对应边成比例,因此:
物体高度 / 成像高度 = 物距 / 像距。
要让成像更明亮,需要更多光线进入暗箱。但直接增大小孔,会让成像变得模糊。
2. 凸透镜与焦点
光从空气进入玻璃等介质时,传播速度会改变,斜射时会产生折射。凸透镜可以把光线聚集起来,让更多光线进入暗箱,这也是现代相机采用的成像方式。
先认识几个术语:
- 光心:图中透镜的中心。
- 主光轴:穿过光心、与透镜平面垂直的参考轴。
- 焦点:平行于主光轴的入射光线经过凸透镜后汇聚的位置。
- 焦距:焦点到光心的距离。
3. 透镜方程与对焦
增加透镜后,用 f 表示焦距、u 表示物距、v 表示像距,薄透镜方程为:
1/u + 1/v = 1/f。
焦距由镜头决定。本课程使用的广角镜头焦距是 2.8 mm,图中还列出了 4 mm 标准镜头和 8 mm 长焦镜头。
对于同一个镜头,焦距 f 是固定的,可以由物距计算像距。不过实际对焦时不用逐次计算,只需观察 IDE 的预览窗口,转动镜头,直到画面清晰。
成像大小与实际物体大小的比例也和距离有关。在物体距离远大于焦距时,可以近似理解为与物距成反比,符合“越远越小”的直觉。
4. 视角场
视角场决定摄像头能够拍到的范围,范围以外的内容不可见。它主要由镜头焦距和图像传感器的尺寸决定。
课程配套的广角镜头,其对角线视角场约为 94°。
5. 红外截止滤光片
拆下镜头后,可以看到下方有一块正方形玻璃片,这就是红外截止滤光片。
这里以人眼可见范围约 400~700 nm 为参考,红外截止滤光片用于减少红外光对成像的影响。镜头玻璃本身也会吸收一部分紫外光。
下一节继续学习镜头下方的图像传感器。