04 透镜原理

接下来学习视觉传感器的工作原理，研究从光进入镜头，到图像数据进入 SDRAM 缓冲区的过程。本节先看镜头。

1. 小孔成像

视觉成像的研究可以追溯到早期的暗箱。达芬奇的手稿展现了小孔成像的原理：在暗箱上开一个小孔，就可以得到上下颠倒、左右相反的投影。

把它简化来看，暗箱外物体的高度为 H，暗箱内成像的高度为 h。

图中对顶角相等，又都是直角三角形，所以两个三角形相似。相似三角形对应边成比例，因此：

物体高度 / 成像高度 = 物距 / 像距。

要让成像更明亮，需要更多光线进入暗箱。但直接增大小孔，会让成像变得模糊。

光从空气进入玻璃等介质时，传播速度会改变，斜射时会产生折射。凸透镜可以把光线聚集起来，让更多光线进入暗箱，这也是现代相机采用的成像方式。

先认识几个术语：

增加透镜后，用 f 表示焦距、u 表示物距、v 表示像距，薄透镜方程为：

1/u + 1/v = 1/f。

焦距由镜头决定。本课程使用的广角镜头焦距是 2.8 mm，图中还列出了 4 mm 标准镜头和 8 mm 长焦镜头。

对于同一个镜头，焦距 f 是固定的，可以由物距计算像距。不过实际对焦时不用逐次计算，只需观察 IDE 的预览窗口，转动镜头，直到画面清晰。

成像大小与实际物体大小的比例也和距离有关。在物体距离远大于焦距时，可以近似理解为与物距成反比，符合“越远越小”的直觉。

视角场决定摄像头能够拍到的范围，范围以外的内容不可见。它主要由镜头焦距和图像传感器的尺寸决定。

课程配套的广角镜头，其对角线视角场约为 94°。

拆下镜头后，可以看到下方有一块正方形玻璃片，这就是红外截止滤光片。

这里以人眼可见范围约 400～700 nm 为参考，红外截止滤光片用于减少红外光对成像的影响。镜头玻璃本身也会吸收一部分紫外光。

下一节继续学习镜头下方的图像传感器。