目錄

一、攝像頭成像的光學原理

二、攝像頭模組構成以及功能原理

三、攝像頭名詞釋義

四、攝像頭參數解析

五、攝像頭選型

一、攝像頭成像的光學原理

1.1 光學的基本定律

（1）光線直線傳播定律：在統一均勻介質中，光沿直線傳播

（2）光線的獨立傳播定律：幾何光學中，不同光源發出的光在空間某點相遇時，彼此互不影響，各自獨立傳播

（3）光線的傳播路線可逆

（4）光線的反射定律

特點：
1.反射與入射光線均在入射面內
2.入射光線與反射光線分居法線兩側
3.入射角=反射角
漫反射在整機上的應用如AG玻璃
（5）光線的折射定律

光從一種介質射向另一種介質的平滑界面時，一部分光被界面反射，另一部分光透過界面在另一種介質中折射，折射光線服從折射定律：折射光線與入射光線、法線處在同一平面內，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側

折射率大，折射角小，反之亦然

攝像頭的成像，就是利用光的折射

1.2 攝像頭成像原理

（1）凸透鏡成像

凸透鏡的成像特點：1、平行主軸的光線經過透鏡后會經過焦點2、通過透鏡中心的管線不發生偏折3、經過前焦點的光線會平行與透鏡后的主軸

成像公式證明：物距：p相距：q焦距：f根據這個公式：如果焦距是正，那么是凸透鏡，如果是負值，那么就是凹透鏡已知物距和焦距，如果算出來的像距是正數，那么就是實像，如果是負數，那么就是虛像像高除以物高就可以知道放大率多大~

二、攝像頭模組構成以及功能原理

2.1 攝像頭模組總體構成

（1）攝像頭Sensor

CCD

CMOS

它是怎么感應出不同顏色的？---濾光片、光電轉換、計算電荷量

像素上已經有濾光片了，為什么還需要IR濾光片？

體積原因：

CCD工藝落后，沒有集成內置的ADC和Timer，需要外置，所以體積大

功耗原因：

工藝、供電模塊CCD更多

處理速度：轉化原因

圖像效果：

通過全局快門來解決
高動態、低噪聲 CCD
（2）鏡頭

鏡頭組成是透鏡結構，一般可分為塑膠透鏡（Plastic）或玻璃透鏡（Glass）

通常攝像頭用的鏡頭構造有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、2G3P、4G、5G等

2P 3P G+P

（3）馬達

目前手機的馬達主要分為三種：步進馬達（Stepper Motor）、超聲波馬達（Ultrasonic motor，壓電馬達 Piezo Motor 的一種）、音圈馬達（VCM，Voice Circle Motor/Voice Coil Actuator）。音圈馬達以其結構簡單、體積小等特點成為現階段的主流。

因為原理和揚聲器類似，所以叫音圈電機，具有高頻響、高精度的特點。其主要原理是在一個永久磁場內，通過改變馬達內線圈的直流電流大小，來控制彈簧片的拉伸位置，從而帶動上下運動。

（4）濾光片

為什么需要濾光片？

IR自然界存在著各種波長的光線，人眼識別光線的波長范圍在320nm-760nm之間， 超過320nm-760nm的光線人眼就無法見到；而攝像機的成像元器件CCD或CMOS可以看到絕大部分波長的光線。由于各種光線的參與，攝像機所還原出的顏色與肉眼所見在色彩上存在偏差。如綠色植物變得灰白，紅色圖畫變成淺紅色，黑色變成紫色等。

三、攝像頭名詞參數釋義

（1）像差

鏡頭形成的實際影像與理想影像之間的差異叫做像差，常見的像差分為單色像差和色差

單色像差：指單一顏色的光通過鏡頭后形成的像差，主要有球差、慧差、像散、場曲（像面彎曲）、畸變

色差：指光的波長不同導致折射率產生差異的現象，其主要有位置色差（橫軸色差）與倍率色差（垂軸色差）

球差：指通過球面透鏡的光線無法匯聚于一點的現象

特點：球差是軸上像差，不是光學系統的制作不良引起的，是球面折射固有的特性造成，球面的直徑越大，焦長變短，球差越嚴重

消除球差的方法：使用非球面鏡片，如右圖所示，手機鏡頭中都采用非球面鏡片來消除球差

慧差：指的是州外光纖通過透鏡無法匯聚于一點，經常形成彗星狀的光斑

特點：慧差是軸外像差且是遠軸光線產生，多產生于鏡頭的邊緣視場
減小慧差的辦法：縮小光圈，移動光圈的位置或者有選擇的增加透鏡

像散：像散是指軸外光線通過透鏡后在不同的空間位置聚焦成倆條焦線，而像點在倆條焦線中間，呈現為一個比較模糊的光斑

特點：像散是軸外像差，難以消除，且同光圈基本無關，所以像散是鏡頭光學設計中重點關注的單色像差；其可以通過選擇透鏡的位置及曲率來控制
像面彎曲：在垂直于光軸的平面上的物體的成像面，未必是與光軸垂直的平面，一般都成為彎曲的面。這個現象被稱為像面彎曲

特點：像面彎曲是軸外像差，畫面的中心與周邊不能同時成清晰的像
減小像面彎曲的方法：調整光圈的位置，選用特殊的光學材料，優選鏡頭的架構
畸變：畸變是因為透鏡成像時，視場的不同區域所形成的影像放大倍率不同而形成的一種變形，這種扭曲越靠近畫面邊緣越嚴重，畸變不影響清晰度，于光圈大小無關。

光圈位置與畸變關系：

畸變是軸外像差，經常是因為光學結構與光圈位置不對稱引起，所以調整光圈位置可以改善畸變，非球面鏡片也可以很好
改善畸變。
位置色差：指的是一束平行光（小角度近軸光線）通過鏡頭后匯聚于前后不同位置的像點上

特點：主要是軸上色差，是因為產生的原因是不同顏色的光的折射率不同導致，所以無法消除，光學設計上只能減小及控制，減小位置色差方式：縮小光圈，復合透鏡及特殊光學材料
倍率色差：指的是軸外光點（遠軸光線）發出的光通過鏡頭后匯聚于不同的高度上使圖像的邊緣分解出朦朧的彩虹

特點：軸外像差，減小倍率色差方式：使用復合透鏡和使用特殊光學材料

四、攝像頭參數解析

（1）Pixel Size

也就是像素的尺寸，如果一個系統中不存在繞射或者是其他的光學誤差，分辨率將僅僅與像素大小和物體大小有關，簡單來說，當像素尺寸減小時，分辨率增加，這種增加使得拍攝較小的物體時，即使物體之間的間距減小，由于像素更小，他們之間的縫隙也能被檢測出來。

（2）Image Size

Lens MIC<sensor MIC

全畫幅：36mmx24mm

APS-C畫幅 24mmx16mm

（3）FOV

視場角計算公式：
視場角2θ=2arctan[(D/2)/f]
Sensor為IMX377其對角線為7.75，鏡頭焦距為4.5mm
DFOV=2arctan[(D/2)/f]=2*arctan[(7.75/2)/4.5]=81.5°

如上圖所示，焦距越短，視場角越大，因此短焦鏡頭也可以稱為是大廣角鏡頭

（4）F Number

F.no=f/D
在焦距固定的狀態下，孔徑越大，F值則越小，進光量越多，畫面越亮；反之則F值越大，進光量越小，畫面越暗。
f/#與理論分辨率和對比度極限以及景深(DOF)和鏡頭焦深直接相關。此外，它還會影響特定鏡頭設計的像差。

（x）焦深

焦深為在理想像點前后都可以成清晰像的范圍

光圈與焦深的關系：

光圈越大，焦深越長

（5）Chief Ray Angle

主光線入射角：從鏡頭的傳感器一側，可以聚焦到像素上的光線的最大角度被定義為一個參數，稱為主光線入射角(CRA)，最邊緣的光線也就是最大角度

為了保證更多的光線進入到Sensor，攝像頭的LENS CRA和Sensor的CRA要匹配，并且角度差異要控制在±3°以內，如果Pixel越小，那么要求就越高，如果不匹配，lens CRA小于sensor CRA，會出現四周偏暗的情況，此時光線達不到pixel的邊緣

lens CRA大于sensor CRA，光線折射到臨近的pixel，導致pixel之間出現串擾，出現圖像的偏色

（6）Distortion-畸變

常見的畸變：桶型失真和枕型失真或者是梯形失真

幾何失真，實際上信息是存在的，只是被放錯了地方，如果我們能知道哪些信息是被放錯的，被放錯到哪里，那么就可以輕松的重新映射出來

幾何畸變與TV畸變：

幾何畸變描述了畸變圖像中點顯示之處與它們在完美系統中所在處之間的距離。

TV畸變的測量是由RIAA成像標準指定，并透過對填充垂直視場之方形目標進行成像來確定。

幾何畸變的計算方式如下

紅點為目標圖像，黑色是實際成像，需要校準
TV畸變的計算方式如下：

（7）MTF 光學調制傳遞函數 ：分辨率

Modulation：
給定的分辨率下物體上黑色與白色的區分程度

MTF：

對于鏡頭而言，像差越大，鏡頭的光學品質越差，MTF值越低。
系統的空間分辨率取決于許多因素，包括繞射及其他光學誤差所導致的模糊、圓點間距以及傳感器檢測對比度的能力
如果有兩個一樣分辨率的攝像頭，但是擁有不同的對比度，獲取到的圖像有很大的不同。

像素較大的傳感器具有較低的分辨率。像素較小的傳感器具有較高的分辨率

總結

以上是生活随笔為你收集整理的摄像头图像分析目标物体大小位置_摄像头的原理、组成、选型及应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。