光学基础概念之F-Number

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在镜头行业里,一般不常使用相对孔径的概念,而是使用相对孔径的倒数,称之为F数,也叫光圈数。记作F/-。例如,F/5.6表示F数等于5.6。即相对孔径的倒数为5.6,它表示镜头的焦距等于光圈直径的5.6倍。显然,像面接收到的光强反比于F数的平方。即


F数又称为镜头速度,F数小的镜头速度快。因为拍摄的曝光时间△t 正比于F数的平方。


一、F数与分辨率的关系


F数能表征镜头的分辨率,F数越小,能分辨两点间的距离越小,即分辨率越高。因为圆孔最小衍射角为:



所以,像面上能够分辨得开的两点间的最小距离可以计算得到:

二、F数与光圈的关系

F数和光圈是一个反比关系。即F值越小,光圈越大。F值越大,光圈越小;F值越小,光圈越大。例如F1.8比F2.8光圈要大,光圈越大进光亮越多,光圈小相反,光圈大背景越虚化(如图1),光圈小背景越清(如图2)。


               
                              图1. 大光圈成像                                                                                                             图2. 小光圈成像



三、F数与景深的关系


通常我们说,光圈越大,景深越浅;光圈越小,景深越深。那么为什么光圈越大,景深越浅;光圈越小,景深越深呢?
首先在了解光圈与景深的关系之前,我们先介绍两个概念。光线射入透镜汇聚成一点,在数学上,这个点我们称之为焦点。但是在焦点前后形成的光线的聚集和扩散,会产生一个扩大的圆,这个圆就是允许弥散圆,弥散圆仍然足够清晰呈现物体,通常我们认为这是“合焦”。因此,我们通常用允许弥散圈来作为成像清晰和成像模糊的界限。焦深:两个允许弥散圈的距离我们称之为焦深。景深的大小与焦深有着密切的联系(如图3.成像光路图)。前焦深对应着前景深,后焦深对应着后景深。所以,要知道光圈与景深的关系,必须先了解光圈与弥散圈之间的关系。




弥散圈的取决于光的波长和光圈直径。
弥散圈直径= 

其中λ是光的波长,f是焦距,N是光圈直径,一般的f/N即是光圈系数F值。所以,光圈越大,弥散圈直径越小;光圈越小,弥散圈直径越大,即f数越大,景深越大;f数越小,景深越小。

   
如光虎视觉TTL11.5-65远心系列 TTL11.5-O5-65C镜头其有效F数为9景深为2.88mm,物方分辨率为12.08μm 满足需要大视野高景深的客户的需求,如对分辨率有更高的要求就需要选择小景深大F数镜头如TTL11.5-20-65C此镜头的放大倍率为2,其F数为13,景深为0.26其分辨率可达4.362μm,此系列镜头均满足低畸变,高远心。