基礎光學:鏡頭焦距

鏡頭焦距：是指鏡頭光學後主點到焦點的距離，是鏡頭的重要性能指標。鏡頭焦距的長短決定著拍攝的成像大小，視場角大小，景深大小和畫面的透視強弱。鏡頭的焦距是鏡頭的一個非常重要的指標。鏡頭焦距的長短決定了被攝物在成像介質（膠片或CCD等）上成像的大小，也就是相當於物和象的比例尺。當對同一距離遠的同一個被攝目標拍攝時，鏡頭焦距長的所成的象大，鏡頭焦距短的所成的象小。根據用途的不同，照相機鏡頭的焦距相差非常大，有短到幾毫米，十幾毫米的，也有長達幾米的。

一般我們說：焦距就是透鏡中心到焦點的距離。但這僅僅是單片薄透鏡的情況，由於照相機的鏡頭都是由許多片透鏡組合而成的，因此，情況遠不是那麼簡單。

鏡頭的焦距分為像方焦距和物方焦距。像方焦距是像方主面到象方焦點的距離，同樣，物方焦距就是物方主面到物方焦點的距離。必須注意，由於照相機鏡頭設計，特別是變焦距鏡頭中廣泛採用瞭望遠鏡結構，物方焦距與像方焦距是不一定相等的。我們平時說的照相機鏡頭的焦距是指像方焦距。

分類

較常見的有8mm，15mm，24mm，28mm，35mm，50mm，85mm，105mm，135mm，200mm，400mm，600mm，1200mm等，還有長達2500mm超長焦望遠鏡頭。

單反鏡頭

鏡頭根據其焦距的長短，也即拍攝時的視角，可分為標準鏡頭，廣角鏡頭和長焦距鏡頭等。

標準鏡頭的視角約50度左右，這是人單眼在頭和眼不轉動的情況下所能看到的視角，從標準鏡頭中觀察的感覺與我們平時所見的景物基本相同。35mm相機的標準鏡頭的焦距多為40mm，50mm或55mm。120相機的標準鏡頭焦距一般為80mm或75mm，相機片幅越大則標準鏡頭的焦距越大。而數位相機由於其成像介質（CCD或CMOS）有大有小，標準鏡頭的焦距也不一致。為了方便直觀，說起DC鏡頭時經常採用等效於35mm相機的所謂等效焦距，這個等效就是指視角上的等效。以下就只說35mm相機的鏡頭，其他片幅的相機以及數位相機可以類推。

光學焦距

焦距，是光學系統中衡量光的聚集或發散的度量方式，指平行

鏡頭焦距

光從透鏡的光心到光聚集之焦點的距離。亦是照相機中，從鏡片中心到底片或CCD等成像平面的距離。具有短焦距的光學系統比長焦距的光學系統有更佳聚集光的能力。簡單的說焦距是焦點到面鏡的頂點之間的距離。

單反焦距

如果你在相機的英文規格書上看過「f =」，那麼後面接的數碼通常就是它的焦長，即焦距長度。如：「f=8-24mm，38-115mm(35mm equivalent)」，就是指這臺相機的焦距長度為8-24mm，同時對角線的視角換算後相當於傳統35mm相機的38-115mm焦長。一般而言，35mm相機的標準鏡頭焦長約是28-70mm，因此如果焦長高於70mm就代表支持望遠效果，若是低於28mm就表示有廣角拍攝能力。

單反鏡頭

「可對焦範圍」則是焦長的延伸，通常分為一般拍攝距離與近拍距離，相機的一般拍攝距離通常都標示為「從某公分到無限遠」，而近階段設計的產品則往往還會提供近距離拍攝功能(macro)，以彌補一般拍攝模式下無法對焦的問題。有些相機就非常強調具有支持1釐米近拍的神奇能力，適合用來拍攝精細的物體。

焦距，也稱為焦長，是光學系統中衡量光的聚集或發散的度量方式，指從透鏡中心到光聚集之焦點的距離。亦是照相機中，從鏡片光學中心到底片、CCD或CMOS等成像平面的距離。具有短焦距的光學系統比長焦距的光學系統有更佳聚集光的能力。

相機的鏡頭是一組透鏡，當平行於主光軸的光線穿過透鏡時，會聚到一點上，這個點叫做焦點，焦點到透鏡中心（即光心）的距離，就稱為焦距。焦距固定的鏡頭，即定焦鏡頭；焦距可以調節變化的鏡頭，就是變焦鏡頭。（當一束與凸透鏡的主軸平行的光穿過凸透鏡時，在凸透鏡的另一側會被凸透鏡匯聚成一點，這一點叫做焦點，焦點到凸透鏡光心的距離就叫這個凸透鏡的焦距。一個凸透鏡的兩側各有一個焦點。）

鏡頭焦距

光心（Optical center）：透鏡中的一個特殊點，凡是通過該點的光，其傳播方向不變。 　我們用的照相機的鏡頭就相當於一個凸透鏡，膠片（或是數位相機的感光器件）就處在這個凸透鏡的焦點附近，或者說，膠片與凸透鏡光心的距離大至約等於這個凸透鏡的焦距。

凸透鏡（convex lens）能成像，一般用凸透鏡做照相機的鏡頭時，它成的最清晰的像一般不會正好落在焦點上，或者說，最清晰的像到光心的距離(像距)一般不等於焦距，而是略大於焦距。具體的距離與被照的物體與鏡頭的距離（物距）有關，物距越大，像距越小，(但實際上總是大於焦距)。

由於我們照相時，被照的物體與相機(鏡頭)的距離不總是相同的，比如給人照相，有時，想照全身 的，離得就遠，照半身的，離得就近。也就是說，像距不總是固定的，這樣，要想照得到清晰的像，就必須隨著物距的不同而改變膠片到鏡頭光心的距離，這個改變 的過程就是我們平常說的「調焦」。

當將攝影鏡頭調整到無限遠時，其實是一個有名無實的焦距。在設計上，是將透鏡的主平面與底片或成像傳感器的距離調整為焦距的長度，然後，遠離鏡頭的影像就能在底片或傳感器上形成清晰的影像。當鏡頭要拍攝比較接近的物體時，是鏡頭的實際焦距被改變了。焦距通常使用毫米（mm）來標示，但仍然可能看見一些使用釐米（cm）或英吋標示的老鏡頭。視野的大小取決於鏡頭的焦距和底片大小的比例。由於底片最大眾化的是35mm規格，鏡頭的視野經常是根據這種規格標示的。對標準鏡頭（50mm）、廣角鏡頭（24mm）、望遠鏡頭（500mm）視野都是不一樣的。對數位相機上也是一樣，它們的感光器比一般傳統的35mm底片還要更小，所以相對的只要更短的焦距，就可以得到相同的影像。

廣角鏡頭

廣角鏡頭，顧名思義就是其攝影視角比較廣，適用於拍攝距離近且範圍大的景物，有時用來刻意誇大前景表現，強烈遠近感以及透視。135相機的典型廣角鏡頭為焦距28mm，視角為75度。常用的還有比28mm略長一些的35mm，38mm的所謂小廣角（多見於傻瓜機）。

比一般廣角鏡頭視角更大的是超廣角鏡頭（如焦距為24mm，視角84度）以及所謂的魚眼鏡頭，其焦距為8mm，視角可達180度。

長焦鏡頭

長焦距鏡頭適於拍攝遠距離景物，景深較小，因此容易使背景模糊，主體突出。長焦距鏡頭通常分為三級，135mm以下稱中焦距，如85mm，視角28度，105mm，視角23度以及135mm，視角18度。中焦距鏡頭經常用來拍攝人像，有時也稱為人像鏡頭。135－500mm稱長焦距，如200mm，視角12度，400mm，視角6度。500mm以上的稱為超長焦距，其視角小於5度，適用於拍攝遠處的景物。如球場上的特寫以及野生動物的拍攝，因無法靠近被攝物，超長焦距鏡頭就大有用武之地。

主面和焦距

入射平行光線（或其延長線）與出射會聚光線（或其延長線）相交，就能確定折射主面，這個想像的平面與鏡頭光軸相交處就是主點。像方主點和無窮遠光線形成的焦平面（焦點）之間的距離稱為複合鏡頭的焦距（嚴格說是有效焦距）。用同樣的原理也可以確定物方主面和物方焦距。

主面的位置根據設計可能出現在鏡頭之外。這在許多場合下是很重要的。

用例

例如8mm魚眼鏡頭，像方主平面應位於焦平面正前方8mm處，但是8mm內無法容納反光鏡、曝光窗、及焦平面快門的厚度。因此8mm魚眼鏡頭事實上採用了前面加負組光學系統的設計(也稱倒置望遠結構)，使鏡頭能夠安裝在像面定位距比8mm大得多的機身上去。

同樣，如果是500mm的超長焦鏡頭，不採用望遠鏡結構的話，鏡頭就要長達500mm以上，使用時無疑是十分不便的。望遠鏡結構的設計可以使主面遠在鏡頭之前，大大地減小了鏡頭的長度。

如何選擇鏡頭

鏡頭是工業視覺系統的一個重要組成部分正確地選擇鏡頭是視覺系統設計的很重要的一環。這裡給大家提供鏡頭選擇的一個基本思路。
　　1. 工作波長、變焦與定焦
　　視覺系統通常使用環境是在可見光範圍內，這樣的鏡頭是我們最常用的，也有一些系統比較特殊，使用環境是在紫外或者紅外波段，需要選用專門的紫外或者紅外鏡頭。
　　大多數視覺系統的工作距離和放大倍數是不變的，因此鏡頭焦距也是固定的，但部分系統需要在工作距離變化後保持放大倍數穩定，或者在工作距離不變的情況下獲得不同的放大倍數，這樣我們需要選用變焦鏡頭。
　　2. 遠心鏡頭與標準工業鏡頭
　　 對於精密測量的系統，需要選用遠心鏡頭，它的特點是：物體在景深範圍內移動，光學放大倍數不變，這就避免了測試過程中工作距離的輕微改變導致系統放大倍數的變化，保證了系統規定測量精度。對於一般的工業測量、缺陷檢測或者定位等，對物體成像的放大倍率沒有嚴格要求，只要選用畸變小的鏡頭，就可以滿足要求。
　　3. 靶面大小與解析度
　　鏡頭成像面大小必須大於與之配套的CCD相機的靶面，這樣CCD相機的晶片才能得到充分的利用。
　　鏡頭的選擇要考慮其解析度要與相機的像元大小等匹配，這樣設計的系統能充分利用CCD相機的分辨精度，還能使系統的經濟性達到最佳。
　　4. 視場角與焦距
　　通過系統要求的視場角可以找到對應焦距的鏡頭，而通過系統提供的解析度和相機的像元等參數，可以利用基本的幾何光學原理計算出合適的系統焦距。
　　下面來看一個實際的鏡頭選型的例子：為視覺檢測系統選擇鏡頭，已知條件是：相機靶面為2/3」，像元尺寸為6.45um x6.45um ，C-mount，工作距離大於200mm，系統解析度為0.05mm， 光源採用白色LED光源。
　　第一：因為採用白色光源，所以肯定是普通的可見光鏡頭；
　　第二：工作距離不變，解析度固定，可以知道鏡頭是定焦鏡頭；
　　第三：相機的Nyquist頻率為：1000/(2x6.45)=77.5，所選用的鏡頭解析度應該不小於77.5lp/mm，這樣才能保證系統解析度最佳；
　　第四：工作焦距計算：鏡頭放大倍數為M=6.45/(0.05X1000)=0.13，焦距=工作距離*放大倍數/（放大倍數+1）=23mm，選擇25mm焦距的鏡頭；
　　第五：根據以上說明，我們選擇的鏡頭是：2/3」， C-mount，焦距為25mm，解析度在80-100lp/mm的工業鏡頭。

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