相机综合性实验

CCD相机是CCD图像传感器的一个应用实例。理解CCD相机手册上给出的主要技术指标如等效焦距、CCD尺寸、分辨率等，关系到实际应用中如何根据拍摄需要选择和使用CCD相机，发挥相机效能，获得理想的拍摄效果。

一、实验目的

(1) 了解CCD相机的成像原理及主要指标，如等效焦距、CCD尺寸、分辨率等。

(2) 设计测量CCD相机相关指标的方法和步骤。

二、主要实验仪器

CCD定焦数码相机(消费级)，黑白测试卡。

三、实验原理

1． CCD尺寸与相机分辨率

CCD相机工作时，面阵CCD图像传感器将景物经光学系统在焦平面得到的实像分解为一个一个像素，每一个光敏单元对应一个像素。拍摄结束后，输出与各像素对应的数字照度信号和数字色彩信号，用图像处理软件对这些信号进行处理可实现对景物图像的复现。

消费级数码相机CCD传感器的尺寸在厂家给出的数据上不是用长(mm) ×宽(mm) 标定的，而是用比值(如1/2，1/1．8)来标定CCD传感器的大小。用该比值乘以16mm就得到CCD对角线的长度，这类相机所用CCD传感器的对角线与长宽之比通常为5∶4∶3，这样只要知道了CCD传感器的比值，就可以算得CCD传感器的长、宽、面积。

CCD的分辨率通常指的是它的像素值，如500万像素、1000万像素等。而数码相机分辨率R指的是其最小空间分辨角的倒数，取决于①由CCD像素及尺寸决定的分辨率RCCD，②相机光学镜头的衍射极限决定的分辨率R光。可以用式(35-1) 估算:

当RCCD与R光相差一个数量级以上时，相机分辨率R近似等于其中较小的那个数值。

(1) CCD像素值及尺寸决定的分辨率RCCD。

光学成像系统的示意图如图35－1所示，当相机对准目标时，面阵CCD传感器上每一个光敏单元相应地探测到一小块矩形面积。设相邻光敏单元中心距为d，光学系统的焦距为f，光学系统到目标的距离为l。CCD相机能分辨的最小空间角即为刚好分辨时，目标物上两个发/反光点(亮点) 对镜头光学中心的张角。理论上为:

则:

当相机镜头的焦距为已知时，根据CCD的像素值以及尺寸，可以求得d，即可算得由CCD决定的分辨率RCCD。同等尺寸的CCD，像素值越大，分辨率越高;像素值相同的CCD，尺寸越小，分辨率越高。

图35－1 CCD相机光学成像系统

(2) 相机光学镜头的衍射极限决定的分辨率R光。

根据圆孔的夫琅禾费衍射定律，远处的物点经过镜头成像到焦平面上得到一个像斑——爱里斑。设镜头光瞳直径为D，镜头光学中心对像斑的边缘和像斑中心的张角为:

由瑞利判据，对于两个等光强的非相干物点，如果其中一个像斑的中心恰好落在另一个像斑的边缘处，此两物点被认为是刚刚可以分辨。那么，如图35-2所示，当两个物点刚好可以分辨时，镜头光学中心对它们的张角就是θ。即，由相机光学镜头的衍射极限决定的最小空间分辨角就是θ，则:

图35-2 光学镜头的分辨率

一般相机镜头设计为对可见光中的绿光增透，在估算分辨率R光时λ可取绿光波长值，镜头光瞳直径越大，分辨率越高。

2． CCD相机的等效焦距与实际焦距

相机的实际焦距指的是镜头光学中心和焦平面之间的距离。传统相机的焦平面放置胶片， CCD数码相机的焦平面放置的是CCD传感器。CCD相机通常不是用实际焦距而是用等效焦距作为技术指标。原因是传统相机的胶片大小(135胶片) 为36mm ×24mm，对角线长度为43．27mm。对该胶片而言，镜头焦距越小，视野范围(视角) 越大，反过来，镜头焦距越大，视野范围越小。对135胶片，28mm焦距可以实现广角拍摄，35mm焦距为标准视角(64°)，50mm焦距是最接近人眼的自然视角，380mm焦距为超望远视角，可捕捉远方的景物。而CCD相机由于各品牌各型号所用CCD尺寸大小不一样，导致同样的镜头焦距表现出来的视野范围却不同。为了使各款数码相机在视野范围(视角) 上有可比性，便于人们在使用时进行比较和选择， CCD相机用等效焦距作为性能指标，如图35－3所示。设CCD传感器对角线长度为l CCD(单位mm)，等效焦距的计算方法为:

当等效焦距为35mm时，对应标准视角，相应的当等效焦距远小于该值时，对应广角视角，当等效焦距远大于该值时，对应望远视角。因此采用等效焦距来标定视野范围就是一个简单可行的方法，不管采用的CCD尺寸如何，各款数码相机之间都具有可比性。

图35－3 等效焦距与实际焦距换算关系示意图

四、实验内容

(1) 根据相机手册给出的CCD尺寸，设计实验步骤和数据处理方法，测量CCD相机的焦距，转换为等效焦距，与手册上的数据进行比较。

(2) 根据相机手册给出的有效焦距，设计实验步骤和数据处理方法，测量CCD传感器的尺寸，与手册上的数据进行比较。

(3) 设计实验步骤和数据处理方法，测量某目标物体的尺寸，与该物体的实际尺寸进行比较。

(4) 估算该CCD相机的分辨率。设计实验步骤和数据处理方法，利用黑白条纹卡测量相机分辨率，与估算值进行比较。

(5) 为提高测量精度，建议使用数据处理软件如MATLAB软件对拍摄数据进行处理。