建議觀看這個(gè)視頻之后，你就全明白了：針孔相機(jī)和透鏡。

光心是透鏡主軸與透鏡平面的交點(diǎn)，相機(jī)鏡頭的主軸很明顯，就是沿鏡頭中每個(gè)鏡片中心穿過的直線。
而透鏡平面就很難確定了，相機(jī)鏡頭是通過復(fù)雜的鏡片組來模擬一片理想凸透鏡片（理想凸透鏡的厚度為0，現(xiàn)在造不出來），稱為等效透鏡，等效透鏡的位置也就是透鏡平面的位置。
而根據(jù)鏡頭鏡片組結(jié)構(gòu)的不同，等效透鏡的位置也不一樣，有的在鏡片組內(nèi)部，有的在鏡片組外部。其與主軸的交點(diǎn)即為光心。
像平面是指成像平面，比如你可以理解為用膠片相機(jī)拍攝，那個(gè)膠卷就是像平面，要是用數(shù)碼相機(jī)拍攝那么像平面就是CCD等感光元件。

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知乎原文鏈接：李恒的回答：https://www.zhihu.com/question/33793912

相機(jī)成像究竟是成在像平面還是成在焦平面？底片相當(dāng)于像平面還是焦平面？

我目前的工作經(jīng)常需要和相機(jī)和鏡頭打交道，所以我最近在研究簡單的成像原理。但是一直搞不清楚相機(jī)成像究竟是成在像平面還是成在焦平面？

調(diào)焦：

相機(jī)的成像是在像平面，而不是在焦平面，調(diào)焦調(diào)的是感光元件離透鏡光心的距離，使得感光元件與像平面重合，因?yàn)椴煌吧畹奈矬w，它的像平面的位置不同．理想情況（理想透鏡）下真實(shí)物體的一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的每條光線經(jīng)過透鏡后都匯聚于像平面一點(diǎn)，這一點(diǎn)就是那發(fā)出光線的點(diǎn)對應(yīng)的像．

因?yàn)槲锓浅＿h(yuǎn)，所以像平面約等于焦平面。
物體在無窮遠(yuǎn)時(shí)，焦平面和像平面重合。焦平面是一個(gè)固定的面。像平面是移動(dòng)的面，具體位置要靠共軛關(guān)系來定。

無窮遠(yuǎn)的物體會(huì)成像在焦點(diǎn)地點(diǎn)的平面上，對無窮遠(yuǎn)的物體成像最明晰的方位就是在焦點(diǎn)地點(diǎn)的平面上，即焦平面。

成像最明晰的方位跟著物體離鏡頭的間隔而變化，一般在1倍到2倍焦距之間，可是因?yàn)橄鄼C(jī)鏡頭的焦距都比較短，遠(yuǎn)小于物體離鏡頭的間隔。所以一般在1倍焦距外一點(diǎn)點(diǎn)。所以一般就說成像在焦點(diǎn)上最明晰。這對非專業(yè)人士來說比較好接受。如果是相同的鏡頭，相同的光圈和相同的焦距。全幅機(jī)的景深會(huì)比半幅機(jī)大些。

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這個(gè)問題呢，說到底就是個(gè)名稱概念搞搞清楚的問題。我來幫你理理：
首先，來糾正題主的一個(gè)觀念：誰告訴你透過凸透鏡成像會(huì)成在一個(gè)點(diǎn)上的？
如果真有那么好的事情，一片透鏡就能完美成像，相機(jī)鏡頭里還要那么多個(gè)鏡片干嘛，吃飽飯了啊？

焦平面：

上面那個(gè)圖，平行光經(jīng)過凸透鏡后匯聚成一個(gè)點(diǎn)，理性情況下如此，中學(xué)課本教的就是這樣，以及題主傳的幾張圖片里面都是這樣的。那個(gè)匯聚點(diǎn)，就是所謂的焦點(diǎn)，如果那里有個(gè)面，就叫焦平面對吧？
但實(shí)際情況不是這樣的。下面那個(gè)圖才是實(shí)際情況。平行光通過一個(gè)凸透鏡，根本就不是匯聚到一個(gè)點(diǎn)，而是越靠近中軸線的光束聚焦得越遠(yuǎn)，越靠近透鏡邊緣的光聚焦得越近。這其實(shí)是光學(xué)誤差的一種，叫spherical aberration，球差。

好了，在實(shí)際情況下，有那么多個(gè)光線和中軸線交匯的點(diǎn)，你告訴我你認(rèn)為哪個(gè)是焦點(diǎn)/焦平面？
答案是，每個(gè)有光線和中軸交匯的點(diǎn)都是焦點(diǎn)。只不過是對于特定的某根光線有特定的某個(gè)焦點(diǎn)。
你是不是瘋了，我靠，原來焦平面不止有一個(gè)啊？！

在這所有各條光線的焦點(diǎn)中，一般我們著重考察兩條:

• 一條是聚焦在最遠(yuǎn)處的，叫paraxial ray focus，近軸焦點(diǎn)；
• 另一條是聚焦在最近處的，marginal ray focus，邊緣光線焦點(diǎn)。

近軸焦點(diǎn)的意思是把折射定律n1*sinθ1 = n2*sinθ2做泰勒展開，并只取第一項(xiàng)，得到n1*θ1 = n2*θ2，這顯然是個(gè)近似值嘛，且只有光線入射角很小的時(shí)候，也就是接近中軸線的時(shí)候才有效；
邊緣光線焦點(diǎn)顧名思義就是通過透鏡邊緣的那條光線的焦點(diǎn)啦。當(dāng)然，這個(gè)超綱了，你可以不用知道。

好了，焦平面的概念我們講到這里。

下面開始講像平面:

其實(shí)呢，像平面沒什么好講的。我知道題主你以為像平面是一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)在的確定的一個(gè)位子。其實(shí)，不是的啦。你把CCD或膠卷或任何一種用來探測像的東西放在哪里，像平面就在哪里。也就是這是你決定的啊。你愛指定哪里是像平面就是哪里。
但是，正常情況下，肯定會(huì)把像平面放在焦點(diǎn)附近對吧，因?yàn)槟抢锍上裣鄬η逦?。具體是放在近軸焦點(diǎn)還是邊緣光線焦點(diǎn)，還是放在二者之間的某個(gè)位置，就要看你是希望得到最終的光斑大小最小呢，還是均方根光斑大小最小等等一些判據(jù)的。
另外說個(gè)旁的，大家喜歡說像平面，但是，事實(shí)上理想成像面不是個(gè)平面，它是個(gè)曲面！

就像這樣。如果視場不為零，那么成像面應(yīng)該是個(gè)曲面的呢！當(dāng)然這也超綱了，你可以不用知道。

好了，總結(jié)一下：
光線通過透鏡后，成像是不完美的，焦點(diǎn)不止一個(gè)。要問哪個(gè)是焦面呢，你得告訴我參照那條光線。成像面在哪里是你自己定義的，你愛放哪兒放哪兒，但是只有在焦面附近能夠較好成像，所以你會(huì)把它放在焦點(diǎn)附近。

實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)還會(huì)有更多的光學(xué)誤差項(xiàng)，你要做的就是找到成像最好的那個(gè)地方，把成像面放在那邊。而我們這種光學(xué)工程師要做的就是設(shè)計(jì)各片鏡片的曲率、厚度、位置、材料等，使得各種誤差相互平衡，最終能在焦面附近有個(gè)較好的成像效果。就是這樣了。
當(dāng)然，此處科普沒有涉及finite conjugate，有限遠(yuǎn)共軛，也就是物體不在無窮遠(yuǎn)處的情況。以及各項(xiàng)如coma, astigmatism, distortion, color aberration等其它眾多的各項(xiàng)光學(xué)誤差。

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我明白了題主主要想了解的是在近軸光學(xué)習(xí)下，關(guān)于有限遠(yuǎn)聚焦的問題。那么就再補(bǔ)充一些吧。
這是題主在答案評論里追加的問題：

• 1、例如為什么單反加了近攝接圈以后，無窮遠(yuǎn)處就不能合焦了？
• 2、變焦和調(diào)焦的時(shí)候，鏡片組如何移動(dòng)？
• 3、為什么物距小于最近對焦距離就不能合焦？

核心就是這個(gè)公式：

u是物距，v是像距，F是焦距。

在近軸光學(xué)下，物距倒數(shù)+像距倒數(shù)=焦距倒數(shù)。

原先鏡頭的物距是無窮遠(yuǎn)，所以第一項(xiàng)等于0，也就是像距=焦距；
現(xiàn)在你要近攝，也就是物距不是無窮遠(yuǎn)，那么第一項(xiàng)不為零，由于鏡頭卡口到底片距離固定，所以像距也是固定的，那么等式右邊焦距的倒數(shù)也要增大，因此焦距要變小。
好了，增加近攝圈的功能就是讓鏡頭的焦距變小。而焦距改變且固定后，外加像距是固定的，所以只能對的上一個(gè)特定的有限遠(yuǎn)處的物了。無限遠(yuǎn)處自然沒法合焦了。
按照原理來說，加了近攝圈之后，只能對上特定一個(gè)距離的焦。

為什么在實(shí)際操作中是可以在一個(gè)范圍內(nèi)對上焦呢？
兩個(gè)原因，首先是照相都有一定的景深，也就是對焦面有一定的寬容度；另一個(gè)原因是，其實(shí)鏡頭內(nèi)部的對焦環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)是在改變其中一片或一組鏡片的位置，使得鏡頭整體的焦距在一定范圍內(nèi)可調(diào)。一般這個(gè)范圍不會(huì)很大，僅供對焦微調(diào)。

焦距微調(diào)和變焦（zoom）有什么區(qū)別？就要引入到下一個(gè)問題了。

我先告訴你個(gè)結(jié)論吧:
變焦的時(shí)候，至少需要鏡頭內(nèi)兩組鏡片同時(shí)移動(dòng)，以保證相機(jī)焦距變化，同時(shí)成像位置和大小不變。這個(gè)問題比較復(fù)雜，請參看我另一個(gè)（還沒完成的）回答吧：
像機(jī)鏡頭前后移動(dòng)導(dǎo)致成像放大縮小的原理是什么？ - 李恒的回答

給自己挖了太多坑，還沒填。我會(huì)去填的。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【自动驾驶】23.相机成像究竟是成在像平面还是成在焦平面的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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