一個典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)包括相機(jī)、鏡頭、光源、圖像采集卡等組件，鏡頭在系統(tǒng)中有著非常重要的地位。

下面小矩將為大家簡要介紹一下鏡頭成像、技術(shù)指標(biāo)及鏡頭分類、鏡頭選型等方面，幫助您了解鏡頭的基本性能，以便在現(xiàn)場應(yīng)用中獲取最優(yōu)的產(chǎn)品性能。

鏡頭成像原理

鏡頭的成像是以凸透鏡成像的原理為基礎(chǔ)，通過透鏡的組合，把物體發(fā)出或者反射的光線成像在像平面上(與芯片面重合) 。運(yùn)用凹凸透鏡組合能有效地平衡球差、軸外像差、色差等各種像差，提高成像質(zhì)量。

技術(shù)指標(biāo)介紹

1、焦點(diǎn)/焦距與光軸平行的光線射入凸透鏡時，理想的鏡頭應(yīng)該是所有的光線聚集在一點(diǎn)后，再以錐狀擴(kuò)散開來，這個聚集所有光線的點(diǎn)叫做焦點(diǎn)。對于單個透鏡來說，焦距是指從光心到焦點(diǎn)的距離，如圖一；對于多個透鏡組成的鏡頭組來說，焦距是指像方主平面到焦點(diǎn)的距離，如圖二。

2、光圈在鏡頭內(nèi)部，有一個多邊形或者圓形且面積可變的孔狀光柵裝置，這個裝置就叫做光圈。光圈的作用是控制鏡頭的通光量，通常用光圈系數(shù)來描述其大小。光圈系數(shù)是指鏡頭焦距    與整個鏡頭入瞳直徑D的比值，通常用f/#來表示。其計算公式：f/#=f′/D。

f/#值越小，光圈越大。一般f/#值是以√2倍遞增，因此光圈常用的計數(shù)為F1.4，F(xiàn)2.0，F(xiàn)2.8，F(xiàn)4.0……在同一單位時間內(nèi)上一級的通光面積是下一級的兩倍，例如光圈從f/8調(diào)整到f/5.6，通光面積便增加一倍。

光圈對圖片亮度的影響：相同應(yīng)用條件下，同一鏡頭，光圈越大，通光孔徑越大，圖片越亮。

3、工作距離工作距離：鏡頭聚焦清晰時，被測目標(biāo)到鏡頭最前端的距離稱為工作距離。實(shí)際應(yīng)用中，鏡頭不能對任意物距下的目標(biāo)都同時聚焦清晰，因此鏡頭的工作距離有一定范圍。4、視場角/視野視場角：在光學(xué)工程中，視場角是指鏡頭對圖像傳感器的張角，即若y'為Sensor的半對角線長度，則視場角2θ≈2*arctan(y'/f')。視野：也叫視場范圍，是指鏡頭能觀測到的實(shí)際范圍。鏡頭的視野大小和相機(jī)的分辨率，決定視覺系統(tǒng)所能達(dá)到的視覺檢測精度。

相同的工作距離下，焦距越短，視場角越大，視野也就越大；相同的焦距下，視場角一定，工作距離越遠(yuǎn)，視野越大。

5、放大倍率 放大倍率定義為像的大小與物的大小之比。-1＜β ＜0時，物像異側(cè)，成倒立縮小的實(shí)像，如AA′所示，這就是鏡頭的成像原理。β=-1時，物像異側(cè)，成倒立等大的實(shí)像，如BB′所示。β＜-1時，物像異側(cè)，成倒立放大的實(shí)像，如CC′所示，這就是顯微鏡的成像原理。β＞0時，物像同側(cè)，成正立放大的虛像，如DD′所示，這就是放大鏡的成像原理。

6、分辨率分辨率是指光學(xué)系統(tǒng)可以測到的被測物體上的最小可分辨特征尺寸。鏡頭能分辨物體的細(xì)節(jié)越小，鏡頭的分辨率就越高。通常用像面處每毫米能夠分辨的黑白相間的條紋對數(shù)(lp/mm)描述。在實(shí)際應(yīng)用中，建議鏡頭的分辨率不低于相機(jī)的分辨率。

7、景深景深：能在像平面上獲得清晰像的物方空間深度。即：在被攝物平面(對焦點(diǎn))前后一定范圍內(nèi)的物體，在無需調(diào)焦的情況下，其成像仍然清晰，這段可清晰成像空間深度就是景深。

8、光學(xué)畸變由于鏡頭在不同視場放大倍率的不一樣，使得像相對于物體失去相似性，這種像變形的缺陷稱為光學(xué)畸變。光學(xué)畸變只影響成像的幾何形狀，并不影響成像的清晰度。常見的光學(xué)畸變主要有兩種類型，桶形畸變和枕形畸變。

9、TV畸變TV畸變是圖像的視覺畸變的度量，TV畸變的定義有很多 。其中RIAA TV畸變計算公式如下：

10、后截距法蘭距：鏡頭法蘭面到像面(芯片)的距離。機(jī)械后截距：鏡頭最后的機(jī)械面到像面的距離。光學(xué)后截距：鏡頭最后端鏡片表面頂點(diǎn)到像面的距離。

鏡頭分類

鏡頭有多種分類方法：按功能分類：定焦鏡頭、變焦(倍)鏡頭、定光圈鏡頭；按用途分類：遠(yuǎn)心鏡頭、FA鏡頭、線掃鏡頭、微距鏡頭(或者顯微鏡頭)；按視角分類：普通鏡頭、廣角鏡頭、遠(yuǎn)攝鏡頭；按焦距分類：短焦距鏡頭、中焦距鏡頭、長焦距鏡頭。工業(yè)應(yīng)用中，最常用的鏡頭為定焦鏡頭和遠(yuǎn)心鏡頭。定焦鏡頭指固定焦距的鏡頭；遠(yuǎn)心鏡頭主要是為糾正傳統(tǒng)鏡頭的視差而特殊設(shè)計的鏡頭，它在一定的工作距離范圍內(nèi)，所得圖像的放大倍率不隨工作距離的變化而變化，即被測物在不同工作距離下，所成像的大小相同，因此普遍應(yīng)用在高精度測量的場合中。一般可分為以下幾類：物方遠(yuǎn)心鏡頭：物方主光線平行于光軸，即主光線的會聚中心位于物方無限遠(yuǎn)，能夠消除物方因調(diào)焦不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的讀數(shù)誤差。像方遠(yuǎn)心鏡頭：像方主光線平行于光軸，即主光線的會聚中心位于像方無限遠(yuǎn)，能夠有效消除因像方調(diào)焦不準(zhǔn)而導(dǎo)致的測量誤差。

圖1/物方遠(yuǎn)心鏡頭圖2/像方遠(yuǎn)心鏡頭雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭：物方主光線和像方主光線分別投射到各自端無限遠(yuǎn)，兼容以上兩款鏡頭的優(yōu)點(diǎn)。

雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭常規(guī)的表面缺陷檢測、有無判斷等對系統(tǒng)精度要求不高時，可以選用普通鏡頭。對于精密測量的應(yīng)用需求則考慮選擇遠(yuǎn)心鏡頭，因?yàn)槠胀ㄧR頭成像時，由于不同工作距離造成放大倍率不一致而造成視差，即產(chǎn)生近大遠(yuǎn)小的效果，從而影響測量精度。遠(yuǎn)心鏡頭能確保檢測目標(biāo)在一定范圍內(nèi)放大倍率一致，克服視差，從而提高測量精度。

普通鏡頭與遠(yuǎn)心鏡頭效果對比

鏡頭選型

1、選型思路在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是將工件成像至相機(jī)傳感器芯片上，因此鏡頭的選型將直接影響到機(jī)器視覺系統(tǒng)的整體性能。一般可以通過以下方式合理地選擇鏡頭：

2、注意要點(diǎn)a.對焦環(huán)與光學(xué)接口調(diào)節(jié)鏡片組的相對位置或光學(xué)系統(tǒng)的后焦距使成像清晰的結(jié)構(gòu)部件稱為對焦環(huán)(或調(diào)焦環(huán))。下圖為對焦環(huán)不同狀態(tài)下的成像效果：

鏡頭與相機(jī)連接的機(jī)械接口，行業(yè)內(nèi)常用的光學(xué)接口已形成通用規(guī)范，例如C口、CS口、F口和K口。

b.最大兼容相機(jī)芯片尺寸最大兼容相機(jī)芯片尺寸指鏡頭能支持的最大清晰成像的范圍。在實(shí)際選擇相機(jī)和鏡頭時，要注意所選擇鏡頭的最大兼容芯片尺寸要大于或等于所選擇的相機(jī)芯片的尺寸。以下為常用鏡頭及相機(jī)芯片的兼容性說明：

3、選型過程a.首先確定應(yīng)用需求(視野、精度、安裝高度等)。b.根據(jù)應(yīng)用需求計算關(guān)鍵的光學(xué)性能參數(shù)。例如，由視野范圍、相機(jī)芯片尺寸以及工作距離，計算焦距：視場（水平方向）/芯片（水平方向）≈工作距離/焦距c.分辨率匹配：在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)注意鏡頭的分辨率不低于相機(jī)的分辨率。d.景深要求：對景深有要求的項(xiàng)目，盡可能使用小光圈；由于景深影響因素較多以及判定標(biāo)準(zhǔn)較為主觀，具體的景深計算需要結(jié)合實(shí)際使用條件。e.注意與光源的配合，選配合適的鏡頭。f.注意考慮使用環(huán)境的可安裝空間。

案例展示

使用需求：視野為180mm×135mm，相機(jī)芯片為1″(芯片尺寸12.8mm×9.6mm)，像元尺寸為3.5μm，相機(jī)接口為C型接口，工作距離小于800mm。(1)根據(jù)焦距公式計算，可得：f′=工作距離÷(水平視場÷芯片)=800÷(180÷12.8)=56.89mm。(2)選擇最接近的焦距，f′取50mm，根據(jù)確定的焦距，計算新的工作距離，可得：新的工作距離≈(水平視場÷芯片)×焦距=(180÷12.8)×50=703.125mm，新的工作距離＜800mm，因此所選定的焦距可行。(3)像素匹配：像素=12.8÷(3.5×10-3)×9.6÷(3.5×10-3)=1.00×107 ，建議選擇高清晰1000萬像素級定焦鏡頭。(4)確定接口為C接口。(5)綜上所述，可選擇OPT Machine Vision的OPT-C5024-10M。