相机成像原理之镜头篇

问题1：相机是如何成像的？

我们可以把相机的成像简单的抽象成下图：

凸透镜成像

由凸透镜成像原理，我们可以知道当物距大于2倍焦距时，则像距在1倍焦距和2倍焦距之间，成倒立、缩小的实像。此时像距小于物距，像比物小，物像异侧。设 f=OB 表示透镜的焦距，m=OC 为像距，n=AO 为物距，有：

一般地，由于物距远大于焦距，即 n>>f，所以 m≈f，此时可以用小孔模型代替透镜成像。

用数学方式表示成像模型：https://zhuanlan.zhihu.com/p/23090593

问题2：对焦和变焦有什么区别？

对焦

对焦（聚焦）就是把镜片移动到适合的位置，其要实现清晰成像，则物体应当在两倍焦距之外，像平面在一倍至两倍焦距之间，这样就可以成倒立缩小的图像，这是照相机的原理。简单的来说，就是把成的像准确的落在sensor（camera传感器）上。对焦有两种：自动对焦，手动对焦。

虚线是sensor的位置，当虚线落在像的位置上就是对焦完成。

左图对焦清楚，而右图没有对焦清楚，sensor在像的左边或者右边都会导致右边的效果。

变焦

变焦有光学变焦和数字变焦。

光学变焦：就是改变透镜的焦距。由于改变了焦距，根据上面的结论，焦距改变了，视场角也就变了，就可以实现拉近拉远的功能。

数码变焦：是通过数码相机的处理器，把图片内的每个像素面积增大，从而达到放大的目的，当前变焦过的时图像就会出现失真，因为放大的过程会对图像进程插值。

当焦距越大，成的像也就越大，像距也就越远。

反之，焦距越小，成的像也就越小，像距越小。

同一个物体，成的像越小，sensor的面积一样的情况下，可以看到的东西就越多，视野也就越大，因此焦距越小，视场角也就越大。

焦距	像	视场角（视野）
长	大	小
短	小	大

下图是将焦距拉长后，图像放大的效果
长焦的放大效果

问题3：景深是什么？又和什么有关？

相机景深：其指的是在某个物距之间，还能够清晰成像的距离，如下图：

如果sensor刚好在像距的位置上，物体的一个点，成的像也就是一个点。如果sensor在像距的前面或者后面，这个点也就成了一个圆，专业术语叫弥散圆。当这个圆大到一定的程度的时候，照片也就糊了。

景深三要素

光圈

光圈就是用来控制光线透过镜头的一个装置，光圈越大，进光量越多。

光圈值，是镜头的焦距/镜头通光直径得出的相对值（相对孔径的倒数），光圈值越小，光圈越大。相同光圈值，sensor表面的照度相同。

光圈越大，景深越小。

如图，当光圈减小，虚线位置的弥散圈也在减小。弥散圈越小，成的像就越清晰。原来看不清楚的物体，弥散圈变小了，就能看清了，景深就变大了。

夜间摄影的时候，增大光圈可以提高进光量，提升图像质量，但是大光圈也会导致景深太小，这个时候就需要两者权衡。拍人像的时候，我们又会要求景深小，这样就有背景虚化的效果，这个时候就需要大光圈。

物距

物体越近，景深越小

物体123是等距的，他们成的像分别是像123，但是像的位置不是等距的。由于sensor聚焦好之后只能在一个位置上，在这个位置上能看到更多的物体，就是景深大。物体1比较远，我们将sensor聚焦在像1上，像2距离像1很近，弥散圈很小，很容易看清楚物体2。相反的，物体3比较近，我们将sensor聚焦在像3上，像2离像3比较远，弥散圈大，不容易看清楚物体2。所以从图中可以很容易的看出，物体越近，景深越小。