分享關于鏡頭景深的知識

在視頻監控領域經常會用到定焦鏡頭，相對于變焦鏡頭，它的成本更低，因為不用對焦，現場安裝和使用也更加方便。定焦鏡頭產品在出廠時需要事先對焦，那么如何對焦才能使不同焦距的鏡頭獲得遠近都清晰的圖像?這就涉及到對焦距離和最大景深的問題。

一、基本概念

首先，先來明確幾個鏡頭的基本概念：

1、 焦點(focus)

與光軸平行的光線射入凸透鏡時，理想的鏡頭應該是所有的光線聚集在一點后，再以錐狀的擴散開來，這個聚集所有光線的一點，就叫做焦點。

2、 彌散圓(circle of confusion)

在焦點前后，光線開始聚集和擴散，點的影像變成模糊的，形成一個擴大的圓，這個圓就叫做彌散圓。

在現實當中，觀賞拍攝的影像是以某種方式(比如投影、放大成照片等等)來觀察的，人的肉眼所感受到的影像與放大倍率、投影距離及觀看距離有很大的關系，如果彌散圓的直徑小于人眼的鑒別能力，在一定范圍內實際影像產生的模糊是不能辨認的。這個不能辨認的彌散圓就稱為容許彌散圓(Permissible Circle of Confusion)。

不同的廠家、不同的膠片面積都有不同的容許彌散圓直徑的數值定義。35mm照相鏡頭的容許彌散圓，大約是底片對角線長度的1/1000~1/1500左右。前提是畫面放大為5x7英寸的照片，觀察距離為25~30cm。

上述允許彌散圓直徑是針對模擬膠片而言的，對于現在更常用的數字圖像傳感器而言，這一指標就不太適用了。對于數字圖像傳感器，它的最小單位是像素點，而像素點的尺寸決定了不同傳感器所允許的彌散圓直徑。根據經驗，如果彌散圓在3個像素點以內，圖像基本可以認為是清晰的。

3、 景深(depth of field)

在焦點前后各有一個容許彌散圓，這兩個彌散圓之間的距離就叫景深，即：在被攝主體(對焦點)前后，其影像仍然有一段清晰范圍的，就是景深。換言之，被攝體的前后縱深，呈現在底片面的影像模糊度，都在容許彌散圓的限定范圍內。

以持照相機拍攝者為基準，從焦點到近處容許彌散圓的距離叫前景深，從焦點到遠方容許彌散圓的距離叫后景深。

4、 光圈(Aperture)

光圈是一個用來控制光線透過鏡頭，進入機身內感光面的光量的裝置，它通常是在鏡頭內。對于已經制造好的鏡頭，我們不可能隨意改變鏡頭的直徑，但是我們可以通過在鏡頭內部加入多邊形或者圓形，并且面積可變的孔狀光柵來達到控制鏡頭通光量，這個裝置就叫做光圈。一般用F值來表示光圈的大小，光圈的計算公式如下

F=f/D

其中，F代表光圈值，f代表鏡頭焦距，D代表通光孔徑。從上述公式中我們可以看到，光圈大小與鏡頭實際的通光孔徑大小成反比，也就是說，光圈值越小，通光孔徑越大。從公式中我們還可以看到，如果要達到相同的光圈值，焦距越長，鏡頭所需的通光孔徑越大。完整的光圈值系列如下：F1.0，F1.4，F2.0，F2.8，F4.0，F5.6，F8.0，F11，F16，F22，F32，F44，F64，如下圖所示

由于通光孔一般是一個圓形，所以實際通光面積與通光孔徑的平方成正比，每一級光圈之間差1.4倍，也就是說每一級光圈之間通光面積差將近2倍。

5、 景深的計算公式

下面是景深的計算公式：

其中：

由景深計算公式可以看出，后景深 > 前景深。另外，景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及對像質的要求(表現為對容許彌散圓的大小)有關。這些主要因素對景深的影響如下(假定其他的條件都不改變)：

(1)鏡頭光圈：

光圈越大，景深越小;光圈越小，景深越大;

(2)鏡頭焦距

鏡頭焦距越長，景深越小;焦距越短，景深越大;

(3)拍攝距離

距離越遠，景深越大;距離越近，景深越小。

6、 超焦距(Hyperfocal Distance)

對焦在遠處的某一點，使得景深的另一極端恰為“無限遠”，則由“無限遠”(∞)到景深范圍內最近的攝影距離，稱為“超焦距離”。若先將焦點設為超焦距離，則由超焦距離的一半開始，到無限遠處，都將落在景深范圍之內。

由于鏡頭的后景深比較大，人們稱對焦點以后的能清晰成像的距離為超焦距。傻瓜相機一般就利用了超焦距，利用短焦鏡頭在一定距離之后的景物都能比較清晰成像的特點，省去對焦功能，所以，一般低檔的傻瓜相機并不能自動對焦，只是利用了超焦距而已。正如前面所說的，“清晰”不是一個絕對的概念，超焦距范圍內的景物并非真正的清晰成像，由于不在對焦點上，肯定是模糊的，只是模糊的程度一般人能夠接受而已，這就是傻瓜相機拍攝的底片不能放大得太大的原因。

超焦距的計算的原始公式是：

其中，L’是超焦距，f是鏡頭焦距， 是允許彌散圓，F是鏡頭光圈。由于鏡頭焦距遠小于鏡頭焦距的平方除以 、F之積，一般公式記作

二、計算實例

仍以MT9M034為例，它的像素點尺寸為3.75um，按照3個像素點來計算，它所允許的彌散圓直徑為0.0112mm。

1、如果我們采用焦距為2.8mm，光圈為F1.8的鏡頭，可以算出該鏡頭在MT9M034上的超焦距距離為：

也就是說，如果我們把該鏡頭對焦在大約0.4m處，就可以獲得擴展景深從0.2m到無窮遠。實測圖像如下：

顯然，該鏡頭可以獲得大視場、大景深的圖像，但由于鏡頭焦距有限，遠處的景物細節信息顯然不夠。

2、如果我們采用焦距為6mm，光圈為F1.6的鏡頭，可以算出該鏡頭在MT9M034上的超焦距距離為：

也就是說，如果我們把該鏡頭對焦在大約2m處，就可以獲得擴展景深從1m到無窮遠。實測圖像如下：

圖像的視野明顯變窄了，而且景深也明顯變小了，近處的景物已虛化，但遠處景物的細節明顯增加了。

3、如果我們采用焦距為8mm，光圈為F1.6的鏡頭，可以算出該鏡頭在MT9M034上的超焦距距離為：

也就是說，如果我們把該鏡頭對焦在大約3.6m處，就可以獲得擴展景深從1.8m到無窮遠。實測圖像如下：

4、如果我們采用焦距為12mm，光圈為F1.6的鏡頭，可以算出該鏡頭在MT9M034上的超焦距距離為：

從上述計算中我們可以看到，如果我們把該鏡頭對焦在大約8m處，就可以獲得擴展景深從4m到無窮遠。實測圖像如下：

圖像的視野明顯變得更窄了，而且景深也變得更小了，近處的景物已虛化，但遠處景物的細節明顯增加了。

5、如果我們采用焦距為16mm，光圈為F1.8的鏡頭，可以算出該鏡頭在MT9M034上的超焦距距離為：

從上述計算中我們可以看到，如果我們把該鏡頭對焦在大約13m處，就可以獲得擴展景深從6.5m到無窮遠。實測圖像如下：

遠處視力表的位置距離大約為13米，可以看到整體畫面比較清晰。那么如此對焦，景深是不是可以達到無窮遠呢?我們將在室內按照13米距離對好焦的攝像機對著室外現場抓圖如下：

遠處物體的距離均在100米以上，成像清晰可辨，沒有出現虛焦的現象。

三、結論

通過計算超焦距距離，我們可以在出廠時將定焦鏡頭產品對焦在超焦距距離之上，從而使產品在保證整體畫面清晰度的前提下，獲得最大的景深。