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什么是光圈?它是如何影响成像的?
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2024-03-25 14:20:45来源: 中国机器视觉网

在选型中,F数不仅是影响景深的一个变量,同时也会影响镜头的分辨率。有些工程师提出过疑问:究竟光圈开到多大时,才能得到最好的成像呢?

我们中学时学过,光经过一个小孔会有衍射(绕射)的现象,如下图所示,衍射图案是中心亮,周边逐渐变暗的圆环(称为艾里斑)。而孔越小,衍射现象越明显,圆斑越大!对于镜头成像也一样,光经过镜头的孔径(光圈)成像到像面,也是一个衍射的过程,当然同样,光圈开得越小,成像的圆斑越大,图像越模糊。(计算公式:艾里斑直径=2.44*λ*F数)所以,我们大致有个方向:光圈开得越大,理论上成像越好!

微信图片_20240325143002.png

我们一般用MTF曲线来评价镜头成像的好坏(可以发送“MTF”获取对应的介绍文章),那么,我们就看下光圈开到多少,MTF曲线可以更高。

对于可变光圈的远心镜头,我们可以印证以上的衍射理论。

微信图片_20240325143014.png

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F7(光圈全开)

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F11(光圈缩小)

而对于大光圈的FA镜头,情况可能会不一样。通常FA镜头在最大光圈处并不能获得最好的成像。因为当光圈开到很大时,和光圈相关的像差(如球差,彗差等)同样会影响到成像,光圈缩小后可能会拦掉部分对成像不利的光线,这样反而会使成像提高。以MORITEX一支FA镜头为例,下图是在光圈全开(F1.4)和光圈缩小两档(F2.8)时的MTF曲线对比:

微信图片_20240325143020.png

F1.4(光圈全开)

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F2.8(光圈缩小)

可以看出,虽然曲线中黑色的衍射极限(即理论上能达到的最好成像,和光圈相关)随着光圈的缩小而降低了,但由于光圈减少了像差的影响,镜头成像性能反而提高!那如果把光圈继续缩小呢?下图是F11的情况--此时,即使和光圈相关的像差已经几乎没有,但衍射极限已经降得很低,因此成像也会更差。

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F11(光圈继续缩小)

工程师Tips

因此,一般对于远心镜头来说,光圈开得越大,成像越好;而对于FA等大光圈镜头来说,通常在F2.8~F4左右的时候,成像能达到最佳。光圈开到最大时通常并不能得到最好的成像。