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打造光學系統:解析鏡頭光圈不同規格的意義

日期:2023-05-31

f-number(f/#)也就是我們常說的「光圈」,它的定義是鏡頭焦距除以光圈直徑(f/D),表示通過鏡頭的光量多寡,數字越小,光圈越大,進光量越多;數字越大,光圈越小,進光量越少,每縮一格光圈,進光面積就會少一半,所以進光量會減半。

光圈會影響到的光學效能有 :
● 影像的亮度
● 景深
● 鏡頭的解像力

有這些基本觀念後,再開始深入探討什麼是「Working F Number」、「Effective F Number」和我們常用的「f-number」之間的不同之處為何,當在瀏覽鏡頭廠商的官網頁面查看鏡頭規格時,可能會發現為什麼不同種類的鏡頭光圈有著不同的標示名稱:

以日本的Moritex鏡頭為例,從上圖可以觀察到FA鏡頭規格的光圈是寫「Fno」,也就是我們熟悉的f-number,但遠心鏡頭規格的光圈卻是「Effective Fno」(有些鏡頭廠商會寫Working Fno,例如知名的義大利遠心鏡頭公司,Opto Engineering)

我們一般常用的鏡頭光圈規格f-number定義為,物體距離遠大於焦距,也就是物體位於無限遠處,但在機器視覺領域,通常被拍攝的物體距離都不會很遠,這種情況下我們就會使用Working Fno或Effective Fno,而不是一般常用的f-number,這兩者之間的關係為 :
Working Fno = (1+M) x Fno

上述公式中的M為鏡頭的放大倍率,當物體位於無窮遠處時,M會趨近於零,此時Working Fno = Fno,因此在近距離拍攝時,例如微距拍攝,我們就必須考慮鏡頭的放大倍率,這也說明了為什麼倍率越高,影像亮度越暗;當我們在計算機器視覺系統的景深時,公式裡的光圈參數必須使用Working Fno而非Fno,如果鏡頭規格是一般的Fno,我們必須先把Fno換算成Working Fno。