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视频监控、视频会议等行业涉及光学成像基础知识.pdf

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  • 上传时间:2018-10-26
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    • CCD/CMOS 靶面尺寸型号标准靶面尺寸型号标准 图像传感器的尺寸是影响成像表现力的硬指标之一,但许多人对图像传感器 (CCD/CMOS)尺寸的表示方法大惑不解,因为像 1/1.8 英寸、2/3 英寸之类的尺寸,既不 是任何一条边的尺寸,也不是其对角线尺寸,看着这样的尺寸,往往难以形成具体尺寸大小 的概念那么,这个尺寸到底是怎么来的呢,事实上,这种表示方法来源于早期的摄像机成 像器件——光导摄像管 一、一、CCD/CMOS 靶面尺寸型号标准靶面尺寸型号标准 在 CCD 出现之前,摄像机是利用一种叫作“光导摄像管(Vidicon Tube)”的成像器件感 光成像的,这是一种特殊设计的电子管,其直径的大小,决定了其成像面积的大小因此, 人们就用光导摄像管的直径尺寸来表示不同感光面积的产品型号CCD 出现之后,最早被 大量应用在摄像机上, 也就自然而然沿用了光导摄像管的尺寸表示方法, 进而扩展到所有类 型的图像传感器的尺寸表示方法上 例如,型号为“1/1.8”的 CCD 或 CMOS,就表示其成像面积与一根直径为 1/1.8 英寸的 光导摄像管的成像靶面面积近似光导摄像管的直径与 CCD/CMOS 成像靶面面积之间没有 固定的换算公式,从实际情况来说,CCD/CMOS 成像靶面的对角线长度大约相当于光导摄 像管直径长度的 2/3。

      如下图所示,白圈表示光导摄像管成像区域,绿色部分表示 CCD/CMOS 靶面区域: 【图 1】摄像管与 CCD/CMOS 成像区域对比 二、二、CCD/CMOS 典型靶面尺寸典型靶面尺寸 靶面尺寸类型: 【图 2】几种典型的图像传感器靶面尺寸 【图 3】几种典型的传统胶片尺寸 三、三、CCD/CMOS 各型号一览各型号一览 【表 1】CCD/CMOS 靶面尺寸各型号一览 型号 宽高比 光导摄像管 直径(mm) 靶面区域 对角线 (mm) 宽(mm) 高(mm) 转换系数* (Crop Factor) 1/6“ 4:3 4.233 3.000 2.400 1.800 14.422 1/4“ 6.350 4.000 3.200 2.400 10.817 4.500 3.600 2.700 9.615 1/3.6“ 7.056 5.000 4.000 3.000 8.653 1/3.2“ 7.938 5.678 4.536 3.416 7.620 1/3“ 8.467 6.000 4.800 3.600 7.211 1/2.7“ 9.407 6.592 5.270 3.960 6.564 6.718 5.371 4.035 6.441 1/2.5“ 10.160 7.182 5.760 4.290 6.024 1/2.3“ 11.044 7.700 6.160 4.620 5.619 1/2“ 12.700 8.000 6.400 4.800 5.408 1/1.8“ 14.111 8.933 7.176 5.319 4.843 1/1.7“ 14.941 9.500 7.600 5.700 4.554 1/1.6“ 15.875 10.070 8.080 6.010 4.297 2/3“ 16.933 11.000 8.800 6.600 3.933 1“ 25.400 16.000 12.800 9.600 2.704 4/3“ Olympus E-P1/E-500 33.867 21.633 17.307 12.980 2.000 Kodak KAF-5100CE 22.280 17.824 13.368 1.942 传统型号 22.500 18.000 13.500 1.923 Foveon X3 3:2 N/A 24.878 20.700 13.800 1.739 1.8“ ** Sony's APS-C 45.720 25.878 21.500 14.400 1.672 Canon's APS-C 26.681 22.200 14.800 1.622 27.042 22.500 15.000 1.600 27.264 22.700 15.100 1.587 Nikon “DX“ 28.400 23.600~ 23.700 15.500~ 15.800 1.523 APS-C film 30.148 25.100 16.700 1.435 Canon's APS-H N/A 32.339 27.000 17.800 1.338 34.475 28.700 19.100 1.255 35mm film 43.267 36.000 24.000 1.000 Leica S2 54.083 45.000 30.000 0.800 Kodak KAF 3900 13:10 63.965 50.700 39.000 0.676 *转换系数(Crop Factor)是以 35mm 电影胶片尺寸(36×24mm)为标准设定的参考系数,其详细概念可参见“专业知识→光学成像类”栏目中的相关文章。

      【图 3】35mm 电影胶片与不同尺寸 CCD/CMOS 的对比 **1.8“这个标准也称为这个标准也称为 APS-C, 包括有许多不同的数值, APS-C 电影标准为 25.1×16.7mm, 索尼 (Sony)的 APS-C 标准为 21.5×14.4mm,尼康(Nikon)的“DX“图像传感器标准则为 23.7×15.7mm,佳能(Canon)的 APS-C 包括多种型号,例如 22.2×14.8mm、22.5×15.0mm 等关于 APS-C 的产生及规格形成参见“专业知识→光学成像类”栏目中的“APS 系统产生及 APS 系列画幅规格”一文 APS 系统产生及系统产生及 APS 系列画幅规格系列画幅规格 现今大部分数码单反相机、 高端的高清数码摄像机和百万像素网络摄像机中, 其图像传 感器(感光器件)很多都是采用的“APS-C”规格的 CMOS 或 CCD那么,究竟 APS-C 究竟 是什么意思呢? 还得先从十九世纪二十年代的诞生 135 胶卷谈起那时候,德国研制出拍摄 35mm (36mm×24mm)电影胶片的莱卡赵相机后,35 毫米胶卷又叫“莱卡卷”,后来世界各厂生产 用于拍摄 35 毫米胶片的照相机越来越多,“莱卡卷”这个名称已不能适应了,于是就按胶卷 的宽度改为“35 毫米胶片”。

      直到五十年代之后,为了区分 35 毫米电影胶片和照相机用的 35 毫米散装胶卷, 在胶卷盒上印有 135 的代号 后来大家就公认把 35mm 胶卷称为 135 胶卷, 把用 135 胶卷的相机称为 135 相机 一、一、APS 系统的产生系统的产生 1996 年由富士胶卷(FujiFilm) 、柯达(Kodak) 、佳能(Canon) 、美能达(Minolta)和 尼康(Nikon)五大公司联合开发的 APS(Advance Photo System)胶片系统问世APS 开发 商在原 135 规格的基础上进行了彻底改进,包括相机、感光材料、冲印设备以及相关的配套 产品上都全面创新,大幅度缩小了胶片尺寸,使用了新的智能暗盒设计,融入了当代的数字 技术,成为了能记录光学信息、数码信息的智能型胶卷 【图 1】APS 胶卷系统 APS 定位于业余消费市场,共设计了三种规格的底片画幅(C、H、P) :  APS-C(Classic,意指“常规”) :在满画幅的左右两头各挡去一端,宽高比(横纵比)为 3:2(24.9×16.6mm) ,和 135 底片比例相同;  APS-H(HD,意指“高清”) :满画幅(30.3×16.6mm) ,宽高比(横纵比)为 16:9;  APS-P (Panorama, 意指“全景”) : 满幅的上下两边各挡去一条, 使画面宽高比 (横纵比) 为 3:1(30.3×10.1mm) ,也称为全景模式。

      【图 2】APS 系统三种画幅尺寸 APS 感光胶片与传统感光胶片最大的区别在于胶片上不仅涂有感光乳剂,还涂覆有一 层透明的磁性介质,它除了具有传统胶片的所有功能外,还具有数码书写能力,利用胶片齿 孔边和另一边的条形导轨面积, 在拍摄过程中, 可以随时将拍摄中的有关数据记录在胶片上, 如:焦距、光圈、速度、色温、日期有的 APS 相机还储存有十几种语言,100 多种赠语、 贺词或标题, 可以通过机背上的按钮选择所需和对照片的制作要求等, 并且将信息记录在胶 片上,这些信息还可以修改在冲洗时还可以印出一张“缩略图索引”的目录照片,在当时是 很新颖超前的设计 二、二、APS-C 画幅规格画幅规格 APS 问世以来前后有 50 多家生产厂商加盟各品牌的 APS 相机在性能上大同小异外 型上看可分为两大类: 一类是胶片生产商生产的相机, 都为袖珍型 这类 APS 机体积小巧、 功能齐全、操作简单、便于携带例如,富士胶卷(FujiFilm)的 Fotonex1000ix;另一类为 相机生产商生产的相机, 如美能达 (Minolta) 的 VECTISS, 另外佳能 (Canon) 和尼康 (Nikon) 也都有开发。

      最大的特点是除特别为 APS 设计的镜头外,还可以使用原 135 系统的所有镜 头如佳能的 EOS1X、尼康的 PRONEA 600I 等等 但是, APS 夹在了传统胶片摄影系统和当今数码摄影系统之间, 是介于两者之间的过渡 产品不难看出,上述优点,如记录拍摄数据、存入档案资料、编辑数码相册、电脑投影播 放等等,在当今的数码相机中全能实现,而且有了更大的扩展所以,在数码相机技术的高 速发展冲击下,APS 系统未能得到展开应用就“出师未捷身先死”,早早就已经“夭折” 【图 3】135 全幅与 APS-C 画幅 由于在现今大部分数码单反相机、 高端的高清数码摄像机和百万像素网络摄像机中, 很 多产品都采用了小于 135 规格的 CCD 或 CMOS 感光器件,除了奥林帕斯的 4/3 系统和全画 幅以外,现存几乎全部都是宽高比为 3:2,边长接近 24.9×16.6mm,和 APS-C 型胶片接近的 大小,为了便于形容,人们就把类似这种大小的感光器件称之为“APS-C”规格而相似的, “APS-H”规格则用于指代比“APS-C”规格更高分辨率的扩展规格 萤石与低色散镜片萤石与低色散镜片 萤石又称氟石,是一种常见的卤化物矿物,它是一种化合物,它的成分为氟化钙,是提 取氟的重要矿物。

      萤石具备出色的超低色散特性,可以用来制作特殊的光学透镜,是制造高 档镜头所用光学玻璃的材料之一 一、萤石基本特征一、萤石基本特征  名 称:萤石  别 名:氟石  英文名称:Fluorite  化学成分:CaF2  化学成分:Ca(51.1%)、F(48.9%)  晶体结构:晶胞为面心立方结构,每个晶胞含有 4 个钙离子和 8 个氟离子  结晶状态:晶质体  晶 系:等轴晶系  晶体习性:常呈立方体、八面体、菱形十二面体及聚形,也可呈条带状致密块状集合体  常见颜色:绿、蓝、棕、黄、粉、紫、无色等  光 泽:玻璃光泽至亚玻璃光泽  解 理:四组完全解理  摩氏硬度:4  密 度:3.18(+0.07,-0.18)g/cm3  光性特征:均质体  多 色 性:无  折 射 率:1.434(± 0.001)  双折射率:无  紫外荧光:随不同品种而异,一般具很强荧光,可具磷光  吸收光谱:不特征,变化大,一般强吸收  放大检查:色带,两相或三相包体,可见解理呈三角形发育  特殊光学效应:变色效应 二、萤石的特点及应用二、萤石的特点及应用 萤石化学分子式为 CaF2,是等轴晶系的,单晶呈立方体、八面体、菱形十二面体及聚 型,立方体晶面上常有与棱平行的网格状条纹,集合体为粒状,晶簇状,条带状,块状等。

      萤石一般呈粒状或块状,其摩氏硬度不高(只有 4) ,密度。

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