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光學(xué)成像原理之景深

 子君zijun123 2023-08-01 發(fā)布于河北

?1.概 述

先看兩個例子,拍攝花、昆蟲等照片時,背景拍的比較模糊,突出被拍物。但當(dāng)拍攝紀(jì)念照、風(fēng)景等照片時,卻會把背景拍攝得和被拍對象一樣清晰。這兩者就是不同景深。前者為淺景深,拍攝聚焦到被拍物上,只能拍清一小段距離,被拍物前后的景色都被虛化,清晰范圍較小。而后者為大景深,清晰范圍較大。

淺景深

大景深

景深(depth of field)定義:攝影機鏡頭或其他成像器前沿能夠取得清晰圖像的成像所測定的被攝物體前后距離范圍。通俗講即被拍攝物體對焦點(focus point)平面處的景物,在膠片上會形成清晰影像,在對焦點平面的前方某處到其后方某處有一個范圍,其內(nèi)的景物都能形成清晰影像,這一范圍稱為景深,討論景深,一般我們用“深淺”形容,即淺景深(narrow depth of field)或大景深(large depth of field)。

2.景 深 原 理

理解景深原理前,我們必須明白一件事:當(dāng)我們對焦時,其實只有一個平面是真正合焦的。這個平面與像平面(可以簡單理解為膠片或者傳感器平面)平行。凡是在這個平面之前或者之后的都不是合焦?fàn)顟B(tài)。合焦平面上物體某點發(fā)出不同角度的光在像平面成像都匯聚于一點,而非合焦物體的某點發(fā)出不同角度的光會落在像平面不同點上,形成一個模糊圓,這個圓術(shù)語叫做彌散圓(circle of confusion)。

所以沒有對上焦的東西,在底片上看起來就是模糊的。如果拍的是一個燈泡的話,就會看起來像是一個圈。下面看看彌散圓和對焦距離的關(guān)系,非合焦平面1距離合焦平面較遠,其在像平面彌散圓越大,而非合焦平面2距離合焦平面較近,像平面上彌散圓較小。因此離合焦平面得越近,彌散圓就越小。

如果彌散圓小到人眼無法鑒別(或者說彌散圓直徑小于傳感器像元的大?。?,模糊圓可被視為點的成像,看起來就和對上焦的東西一樣清晰,此無法分辨的彌散圓稱為容許彌散圓(permission circle of confusion)。在被攝物體(對焦點或合焦平面)前后縱深,有一段距離,其影像在像平面的模糊程度肉眼無法分辨,比較清晰,都在容許彌散圓限定范圍內(nèi),它們之間距離稱為景深。

3.景 深 計 算

通用計算公式

從公式結(jié)果可知,前景深<后景深

4.影 響 因 素

由景深計算公式可知,景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及對像質(zhì)的要求(表現(xiàn)為對容許彌散圓的大小)有關(guān)。這些因素對景深的影響如下:

鏡頭光圈:光圈越大,景深越??;光圈越小,景深越大;

鏡頭焦距:鏡頭焦距越長,景深越??;焦距越短,景深越大;

拍攝距離:距離越遠,景深越大;距離越近,景深越小。

壹、鏡 頭 光 圈

光圈大小無疑是我們控制景深最為有效的因素了。我們可以借用下面這張圖來看一下景深的作用效果:

光圈大小與景深深淺成反比,光圈越大,景深越淺。

貳、鏡 頭 焦 距

鏡頭焦距的長短同樣也左右著景深的效果。以下圖為例,在同樣的光圈和拍攝距離下,同樣一張照片,僅僅是焦距的變化(左邊:24MM;右邊:70MM),景深也隨之變化。

焦距較長的鏡頭能提供較淺的景深,以及較大的前景深,這可以更加突顯出焦點的部份,因為模糊部份被擴大了。

叁、成 像 距 離

拍攝距離的遠近也是影響景深大小的重要因素。被拍攝的物體距離鏡頭越近,景深就會越淺。

5.實 際 應(yīng) 用

一般拍攝近距離物體,放大倍率M MM值較大,根據(jù)成像放大倍率公式

景深公式簡化為:

1、鏡頭光圈:光圈越大,景深越??;光圈越小,景深越大;

2、容許彌散圓直徑:容許直徑越大,景深越大

3、放大倍率:倍率越大,景深越小

景深受放大倍率影響較大,隨著放大倍率增大快速降低

上圖中光圈值F=12 ,容許彌散圓直徑δ=0.04mm

一般工業(yè)相機彌散圓直徑選取0.04mm,而隨著近年相機芯片像元尺寸的減小,彌散斑取0.04mm已遠大于芯片的分辨能力。而且嚴(yán)格而言,同一個鏡頭,搭配不同像元尺寸的相機,由于允許的彌散圓直徑大小的不同,景深也會有所差異。但習(xí)慣上,機器視覺行業(yè)各鏡頭廠商仍以彌散圓直徑=0.04mm來計算景深。因此鏡頭實際測試出的景深值<鏡頭參數(shù)標(biāo)示出的景深理論值。

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