本文以簡(jiǎn)單的凸透鏡的形式總結(jié)了鏡頭的成像原理，并引出成像公式、對(duì)焦清晰度及其背后的彌散圓和景深的問題，通過對(duì)以上問題的學(xué)習(xí)和理解就能夠建立對(duì)鏡頭如何實(shí)現(xiàn)成像的完整概念。

在基礎(chǔ)的光學(xué)系統(tǒng)中，單片的平凸透鏡可以認(rèn)為是最極簡(jiǎn)的鏡頭形式。因此要完整的理解鏡頭的成像原理，可以先從平凸透鏡是如何成像開始。

凸透鏡的結(jié)構(gòu)與光學(xué)成像規(guī)律

凸透鏡是中央厚、邊緣薄的透明光學(xué)元件，常見形式包括雙凸、平凸和凹凸（正彎月形）這三種形式。對(duì)于凸透鏡而言，其核心光學(xué)參數(shù)包括光心（也就是透鏡的幾何中心O）、主光軸（連接兩球面球心的直線）和焦點(diǎn)（所有平行光折射后的會(huì)聚點(diǎn)F）。

對(duì)于凸透鏡的成像原理的解釋來講，最關(guān)鍵的是以下兩條光路規(guī)律：

? 所有通過光心的光線不發(fā)生折射。

? 所有平行與主光軸的光線，經(jīng)過折射后匯聚在焦點(diǎn)。因?yàn)楣饴返目赡嫘裕虼送ㄟ^焦點(diǎn)的光線，經(jīng)過凸透鏡折射后平行于主光軸。

基于以上兩條光路規(guī)律，解釋凸透鏡的成像原理如下：

? A點(diǎn)發(fā)出的平行光線在鏡頭的C點(diǎn)經(jīng)過折射以后，在鏡頭的另一側(cè)通過焦點(diǎn)。

? A點(diǎn)發(fā)出的過鏡頭光心的光線，在通過鏡頭的時(shí)候不會(huì)發(fā)生折射，而是會(huì)直射進(jìn)入鏡頭的另外一側(cè)。

? 根據(jù)以上兩條折射光線和直接光線的焦點(diǎn)，就可以判斷A點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過凸透鏡的折射后在另外一側(cè)的E點(diǎn)聚焦。

? 那么同樣的道理，AB物體通過鏡頭的折射后就會(huì)在DE的位置聚焦成像。

以上就是簡(jiǎn)化的凸透鏡的成像原理。從以上解釋中可以看到，在鏡頭參數(shù)確定的情況下，AB與鏡頭之間的距離（物距，即上圖中的OB）就直接決定了其通過鏡頭成像位置與鏡頭之間的距離（像距，即上圖中的OD）。這個(gè)結(jié)論就對(duì)應(yīng)以下成像公式（物距u、像距v與焦距f）：

那么根據(jù)以上的成像公式，在焦距一定的情況下，物距位置的變化，也就會(huì)影響其像距的變化。

總結(jié)起來就是：物距不同，其通過鏡頭成像的像距也是不同的。

以上都是初中物理的凸透鏡鏡頭成像知識(shí)，沒有多大理解上的難度。但問題是：對(duì)于一個(gè)攝像頭產(chǎn)品，鏡頭的參數(shù)是固定的（暫不考慮變焦和變光圈鏡頭），鏡頭與圖像傳感器的位置是固定的，即成像公式中的焦距f，像距v是固定的，那么也就意味著物距u肯定也是固定的。難道對(duì)于一個(gè)定焦攝像頭而言，只能用于拍照物距固定的物體嗎？這怎么可能呢？

以上問題的答案當(dāng)然是不可能的，這就要引入景深和彌散圓的問題。

彌散圓與景深

首先看一下，當(dāng)鏡頭參數(shù)（即鏡頭焦距f）以及鏡頭與物體之間的距離（即物距u）固定的情況下，圖像傳感器距離鏡頭位置在其理論像距v為中心的一定范圍移動(dòng)時(shí)，成像會(huì)發(fā)生什么變化：

從上圖可以看到，在物距u和焦距f固定的情況下，A點(diǎn)的像距理論上是在A‘位置上。而如果圖像傳感器的位置并沒有A'所在位置而是向后移動(dòng)一點(diǎn)的話，A點(diǎn)的成像就不再是一個(gè)聚焦的點(diǎn)，而成了上圖所展示出來的彌散圓。具體來講，就是A點(diǎn)在圖像傳感器上的成像變模糊了！

同樣的道理，如果鏡頭的焦距f和鏡頭與圖像傳感器之間的像距v固定，而物距發(fā)生變化的話，實(shí)際上只有在成像公式成立的A點(diǎn)在圖像傳感器上的成像是絕對(duì)清晰的，其他距離的物體在圖像傳感器上的成像都存在彌散圓效應(yīng)所導(dǎo)致的模糊問題。

只不過，因?yàn)槿搜酆蛨D像傳感器對(duì)于圖像分辨率的分辨能力，容忍一定直徑的彌散圓（也就是模糊效應(yīng)）的存在，因此，即使物距偏離了焦點(diǎn)平面，只要其彌散圓直徑≤容許值，人眼仍認(rèn)為成像是“清晰的”。

以上就是理解鏡頭成像時(shí)，一定距離范圍內(nèi)的物距（實(shí)際上也就是所謂的景深）都能夠在圖像傳感器上清晰成像的原因所在：即正是因?yàn)槿搜酆蛨D像傳感器對(duì)彌散圓有一定容忍程度，所以才有了景深的存在。

如上所述，正是因?yàn)閷?duì)于彌散圓的容忍，鏡頭的成像才存在景深的概念。因此，如下圖所示，在物距的前景深和后景深距離范圍之內(nèi)的物體，通過鏡頭后的成像像距就在前焦深與后焦深之前，其在焦平面上的成像點(diǎn)的彌散圓直徑在可容忍的指標(biāo)范圍之內(nèi)，因此，可以認(rèn)為前景深和后景深距離范圍之內(nèi)的物體在焦平面上的成像都是“清晰”的。

最后

實(shí)際上早期的鏡頭都是由這樣的單片凸透鏡構(gòu)成的。只不過因?yàn)檫@種形式的凸透鏡清晰度不佳，又會(huì)產(chǎn)生色差像差，所以現(xiàn)代鏡頭都是由多片凹凸透鏡片所組成的復(fù)式透鏡組合，以此來糾正各種像差和色差，并且還對(duì)鏡頭加膜處理（Coating）以增加進(jìn)光量，減少耀光，從而使得通過鏡頭成像的影像素質(zhì)大大提升。

不過整體來講，無論是單片凸透鏡，還是更現(xiàn)代的復(fù)式透鏡組合，其成像原理都是相通的。