调焦、对焦、聚集

石鑫华视觉

调焦概述


调焦Focus，改变物镜与物体之间的距离，以获得本物体清晰像的调节过程。
调焦或叫对焦、聚焦---指改变像距v，也就是改变镜头光心到底片平面（或传感器靶面）的距离，以获得本物体清晰像的调节过程。我们知道透镜成像的原理，像在屏上（相机的底片或者感光元件）总有一个最清晰的位置，这是光线汇聚的位置，无数个点构成了一个平面，这里就叫做焦平面。（调焦也就是改变焦点的前后位置！）
　　除了一些低档傻瓜机镜头没有调焦机构，不能改变像距外，所有镜头，无论定焦镜头、变焦镜头，都可以改变像距，以便得到清晰的影像。
　　调焦的焦，是焦点的焦，是指通过“调焦”，即改变像距v，满足成像公式 1/u + 1/v = 1/f，以便在底片上结成清晰成像。其中u为物距，v为像距，f为焦距。

                               
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物距、像距、焦距

调焦方式


调焦或对焦有多种方式，分别是自动对焦、手动对焦和多重对焦方式。

自动对焦


传统相机，采取一种类似目测测距的方式实现自动对焦，相机发射一种红外线（或其它射线），根据被摄体的反射确定被摄体的距离，然后根据测得的结果调整镜头组合，实现自动对焦。这种自动对焦方式——直接、速度快、容易实现、成本低，但有时候会出错（相机和被摄体之间有其它东西如玻璃时就无法实现自动对焦，或者在光线不足的情况下），精度也差，如今高档的相机一般已经不使用此种方式。因为是相机主动发射射线，故称主动式，又因它实际只是测距，并不通过镜头的实际成像判断是否正确结焦，所以又称为非TTL式。
这种对焦方式相对于主动式自动对焦，后来发展了被动式自动对焦，也就是根据镜头的实际成像判断是否正确结焦，判断的依据一般是反差检测式，具体原理相当复杂。因为这种方式是通过镜头成像实现的，故称为TTL自动对焦。也正是由于这种自动对焦方式基于镜头成像实现，因此对焦精度高，出现差错的比率低，但技术复杂，速度较慢（采用超声波马达的高级自动对焦镜头除外），成本也较高。

手动对焦


手动对焦，它是通过手工转动对焦环来调节相机镜头从而使拍摄出来的照片清晰的一种对焦方式，这种方式很大程度上面依赖人眼对对焦屏上的影像的判别以及拍摄者的熟练程度甚至拍摄者的视力。早期的单镜反光相机与旁轴相机基本都是使用手动对焦来完成调焦操作的。现在的准专业及专业数码相机，还有单反数码相机都设有手动对焦的功能，以配合不同的拍摄需要。对焦相当于调焦，是更改像距v，满足成像公式 1/u + 1/v = 1/f，以便在底片上结成清晰成像。 变焦是改变镜头的焦距即改变镜头的视角，其原理是在镜头的镜片中加一族活动透镜；对焦是调整像的虚实，即改变透镜和成像面的距离，达到使影像清晰目的。两个名词都带一个焦字，意义完全不同。

多重对焦


很多数码相机都有多点对焦功能，或者区域对焦功能。当对焦中心不设置在图片中心的时候，可以使用多点对焦，或者多重对焦。除了设置对焦点的位置，还可以设定对焦范围，这样，用户可拍摄不同效果的图片。常见的多点对焦为5点，7点和9点对焦。现在更有几十点上百点对焦点系统出现在数码、单反类相机中。

工业镜头的对焦

                               
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对焦实物解释

如上图所示，如果镜头镜片组不移动，则主体成像在底片的前方最清楚，这样底片上的像是模糊的。这时我们通过调节镜头上的对焦圈，改变镜头中整个镜片组（相当于单个凸透镜）位置，使其更靠近底片或传感器靶面，这样就能把物体清晰的成像在底片上。
从公式1/u + 1/v = 1/f中可以知道，对于工业镜头而言，一般都是使用定焦镜头，也就是f通常都是固定的。因此当我们改变像距v时，物距u也是跟随改变的。而且可以知道的是当像距变小时，物距是变大的，这样才能保证焦距是不变的。
     工业镜头，一般有光圈、对焦圈两个转环，我们使用对焦圈来改变透镜的位置时，其改变的距离有一定的限制。因此我们通常可以直接使用延长管（又叫接圈）这样的方式直接增加像距，像距增加时物体则相应的减小，所以在机器视觉应用中，如果为了降低相机的工作距离，可以在镜头中间添加延长管，这样可以有效的减小工作距离（物距）。当然传感器的靶面是一定的，镜头的焦距也是一定，通过公式f/WD=Sensor/FOV可以知道（f为焦距，WD为工作距离，Sensor为靶面的长或宽，FOV为视野的长或宽，当靶面取长时，视野也取长），当靶面固定，焦距固定时，工作距离即物距变小时，FOV也是会相应的变小的。因此使用同一枚镜头，要想获得较小的视野，以提高分辨率，那么可以通过加延长管的方法得到。