机器视觉如何正确获取图像（镜头篇）

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一个典型的机器视觉系统包括相机、镜头、光源、图像采集卡等组件，镜头在系统中有着非常重要的地位。

下面小矩将为大家简要介绍一下镜头成像、技术指标及镜头分类、镜头选型等方面，帮助您了解镜头的基本性能，以便在现场应用中获取最优的产品性能。

镜头成像原理

镜头的成像是以凸透镜成像的原理为基础，通过透镜的组合，把物体发出或者反射的光线成像在像平面上(与芯片面重合) 。

运用凹凸透镜组合能有效地平衡球差、轴外像差、色差等各种像差，提高成像质量。

技术指标介绍

1、焦点/焦距

与光轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后，再以锥状扩散开来，这个聚集所有光线的点叫做焦点。

对于单个透镜来说，焦距是指从光心到焦点的距离，如图一；

对于多个透镜组成的镜头组来说，焦距是指像方主平面到焦点的距离，如图二。

2、光圈

在镜头内部，有一个多边形或者圆形且面积可变的孔状光栅装置，这个装置就叫做光圈。光圈的作用是控制镜头的通光量，通常用光圈系数来描述其大小。

光圈系数是指镜头焦距 与整个镜头入瞳直径D的比值，通常用f/#来表示。其计算公式：f/#=f′/D。

f/#值越小，光圈越大。一般f/#值是以√2倍递增，因此光圈常用的计数为F1.4，F2.0，F2.8，F4.0……在同一单位时间内上一级的通光面积是下一级的两倍，例如光圈从f/8调整到f/5.6，通光面积便增加一倍。

光圈对图片亮度的影响：相同应用条件下，同一镜头，光圈越大，通光孔径越大，图片越亮。

3、工作距离

工作距离：镜头聚焦清晰时，被测目标到镜头最前端的距离称为工作距离。实际应用中，镜头不能对任意物距下的目标都同时聚焦清晰，因此镜头的工作距离有一定范围。

4、视场角/视野

视场角：在光学工程中，视场角是指镜头对图像传感器的张角，即若y'为Sensor的半对角线长度，则视场角2θ≈2*arctan(y'/f')。

视野：也叫视场范围，是指镜头能观测到的实际范围。镜头的视野大小和相机的分辨率，决定视觉系统所能达到的视觉检测精度。

相同的工作距离下，焦距越短，视场角越大，视野也就越大；相同的焦距下，视场角一定，工作距离越远，视野越大。

5、放大倍率

放大倍率定义为像的大小与物的大小之比。

-1＜β ＜0时，物像异侧，成倒立缩小的实像，如AA′所示，这就是镜头的成像原理。

β=-1时，物像异侧，成倒立等大的实像，如BB′所示。

β＜-1时，物像异侧，成倒立放大的实像，如CC′所示，这就是显微镜的成像原理。

β＞0时，物像同侧，成正立放大的虚像，如DD′所示，这就是放大镜的成像原理。

6、分辨率

分辨率是指光学系统可以测到的被测物体上的最小可分辨特征尺寸。镜头能分辨物体的细节越小，镜头的分辨率就越高。通常用像面处每毫米能够分辨的黑白相间的条纹对数(lp/mm)描述。

在实际应用中，建议镜头的分辨率不低于相机的分辨率。

7、景深

景深：能在像平面上获得清晰像的物方空间深度。即：在被摄物平面(对焦点)前后一定范围内的物体，在无需调焦的情况下，其成像仍然清晰，这段可清晰成像空间深度就是景深。

8、光学畸变

由于镜头在不同视场放大倍率的不一样，使得像相对于物体失去相似性，这种像变形的缺陷称为光学畸变。光学畸变只影响成像的几何形状，并不影响成像的清晰度。常见的光学畸变主要有两种类型，桶形畸变和枕形畸变。

9、TV畸变

TV畸变是图像的视觉畸变的度量，TV畸变的定义有很多 。其中RIAA TV畸变计算公式如下：

10、后截距

法兰距：镜头法兰面到像面(芯片)的距离。

机械后截距：镜头最后的机械面到像面的距离。

光学后截距：镜头最后端镜片表面顶点到像面的距离。

镜头分类

镜头有多种分类方法：

按功能分类：定焦镜头、变焦(倍)镜头、定光圈镜头；

按用途分类：远心镜头、FA镜头、线扫镜头、微距镜头(或者显微镜头)；

按视角分类：普通镜头、广角镜头、远摄镜头；

按焦距分类：短焦距镜头、中焦距镜头、长焦距镜头。

工业应用中，最常用的镜头为定焦镜头和远心镜头。定焦镜头指固定焦距的镜头；远心镜头主要是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，它在一定的工作距离范围内，所得图像的放大倍率不随工作距离的变化而变化，即被测物在不同工作距离下，所成像的大小相同，因此普遍应用在高精度测量的场合中。

一般可分为以下几类：

物方远心镜头：物方主光线平行于光轴，即主光线的会聚中心位于物方无限远，能够消除物方因调焦不准确而导致的读数误差。

像方远心镜头：像方主光线平行于光轴，即主光线的会聚中心位于像方无限远，能够有效消除因像方调焦不准而导致的测量误差。

图1/物方远心镜头 图2/像方远心镜头

双侧远心镜头：物方主光线和像方主光线分别投射到各自端无限远，兼容以上两款镜头的优点。

双侧远心镜头

常规的表面缺陷检测、有无判断等对系统精度要求不高时，可以选用普通镜头。

对于精密测量的应用需求则考虑选择远心镜头，因为普通镜头成像时，由于不同工作距离造成放大倍率不一致而造成视差，即产生近大远小的效果，从而影响测量精度。远心镜头能确保检测目标在一定范围内放大倍率一致，克服视差，从而提高测量精度。

普通镜头与远心镜头效果对比

镜头选型

1、选型思路

在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将工件成像至相机传感器芯片上，因此镜头的选型将直接影响到机器视觉系统的整体性能。

一般可以通过以下方式合理地选择镜头：

2、注意要点

a.对焦环与光学接口

调节镜片组的相对位置或光学系统的后焦距使成像清晰的结构部件称为对焦环(或调焦环)。

下图为对焦环不同状态下的成像效果：

镜头与相机连接的机械接口，行业内常用的光学接口已形成通用规范，例如C口、CS口、F口和K口。

b.最大兼容相机芯片尺寸

最大兼容相机芯片尺寸指镜头能支持的最大清晰成像的范围。在实际选择相机和镜头时，要注意所选择镜头的最大兼容芯片尺寸要大于或等于所选择的相机芯片的尺寸。

以下为常用镜头及相机芯片的兼容性说明：

3、选型过程

a.首先确定应用需求(视野、精度、安装高度等)。

b.根据应用需求计算关键的光学性能参数。例如，由视野范围、相机芯片尺寸以及工作距离，计算焦距：视场（水平方向）/芯片（水平方向）≈工作距离/焦距

c.分辨率匹配：在实际应用中，应注意镜头的分辨率不低于相机的分辨率。

d.景深要求：对景深有要求的项目，尽可能使用小光圈；由于景深影响因素较多以及判定标准较为主观，具体的景深计算需要结合实际使用条件。

e.注意与光源的配合，选配合适的镜头。

f.注意考虑使用环境的可安装空间。

案例展示

使用需求：
视野为180mm×135mm，相机芯片为1″(芯片尺寸12.8mm×9.6mm)，像元尺寸为3.5μm，相机接口为C型接口，工作距离小于800mm。

(1)根据焦距公式计算，可得：f′=工作距离÷(水平视场÷芯片)=800÷(180÷12.8)=56.89mm。

(2)选择最接近的焦距，f′取50mm，根据确定的焦距，计算新的工作距离，可得：新的工作距离≈(水平视场÷芯片)×焦距=(180÷12.8)×50=703.125mm，新的工作距离＜800mm，因此所选定的焦距可行。

(3)像素匹配：像素=12.8÷(3.5×10-3)×9.6÷(3.5×10-3)=1.00×107 ，建议选择高清晰1000万像素级定焦镜头。

(4)确定接口为C接口。

(5)综上所述，可选择OPT Machine Vision的OPT-C5024-10M。

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