机器视觉——（三，镜头）

东东Wr 2023-02-11 发布于黑龙江

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引言

前两篇对机器视觉项目的相机和光源做了一个大致总结，

机器视觉——（一，光源）

机器视觉——（二，相机）

本篇在其基础上对镜头的选择进行分析，总结。

1、镜头的选择

工业相机镜头由多个透镜、可变(亮度)光圈和对焦环组成。如下图所示，在使用时由操作者观察相机显示屏来调整可变光圈和焦点，以确保图像的明亮程度及清晰度(有些镜头有固定调节系统)。

（1）镜头的接口

镜头的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即F型、C型、CS型，其他有M42、莱卡、哈苏、AK。F型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头；而当物镜的焦距约小于25mm时，因物镜的尺寸不大，便采用C型或CS型接口。

C接口和CS接口的区别：

①C与CS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机 CCD光电感应器应处的位置）的距离不同，C型接口此距离为17.526mm，CS型接口此距离为12.5mm。

② C型镜头与C型摄像机，CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用。C型镜头与CS型摄像机之间增加一个 5mm的C/CS转接环可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。

镜头成像原理：

（2）工业镜头的基本参数

镜头选择应注意：①焦距 ②目标高度 ③影像高度 ④放大倍数 ⑤影像至目标的距离 ⑥中心点/节点 ⑦畸变。

<1> 视场（Field of view，即FOV，也叫视野范围）

视场：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。（视场范围是选型中必须要了解的）

<2> 工作距离（Working Distance,即WD）

工作距离：指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调？包括是否有安装空间等）。

<3> 分辨率
分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好。（在实际选择镜头时，镜头尺寸不能小于相机芯片尺寸，一定要要大于或等于相机芯片尺寸）

影响分辨率的主要因素：镜头结构、材质、加工精度等。

其它因素：

镜头光圈越大，分辨率越高；
光波长度，波长越短分辨率越高；
同档次的固定焦距镜头比变焦镜头分辨率高；
短焦镜头一般边缘分辨率比中心低；长焦镜头一般中心比边缘分辨率低。

<4> 景深（Depth of view，即DOF）
景深：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力（需要了解客户对景深是否有特殊要求？）

景深和镜头的焦距、光圈、物距有关：

光圈越小，景深越大；
拍摄距离越大，景深越大；
焦距越短，景深越大。

<5> 焦距（f）
焦距：是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。

f = {工作距离/视野范围长边（或短边）}*CCD长边（或短）（需要记住的重要公式）

焦距大小的影响情况：

焦距越小，景深越大；
焦距越小，畸变越大；
焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低。

像差是影响图像质量的重要方面，常见的像差有如下六种：球差、慧差、像散、场曲、畸变、色差。

<6> 光圈与F值

光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1.4，f2，f2.8。

<8> 感光芯片尺寸

相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视场非常重要。镜头主要缩放比例 (PMAG) 由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸和视场，但PMAG却不属于基本参数。

<9> 光学放大倍数
用于计算主要缩放比例的公式如下：

PMAG = CCD Size / FOV

显示放大倍数：

显示放大倍率在显微中应用非常广泛，被测物体的显示放大倍率取决于三个因素：镜头光学倍率、工业相机感光芯片的尺寸（靶面大小）、显示器尺寸。

显示放大倍率=镜头光学倍率×显示器尺寸×25.4/耙面对角线尺寸。

小结：工业镜头各参数间相互影响关系：

光圈大小的影响情况：光圈越大，图像亮度越高；景深越小；分辨率越高；
像场中央与边缘：一般像场中心较边缘分辨率高；像场中心较边缘光场照度高。
光波长度的影响：在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。

2，镜头的分类

为了适应不同的应用场合，镜头有多种类型，从不同的角度，就有不同的划分方法：

按光学放大倍率及焦距划分：

显微镜：体视显微镜、生物显微镜、金相显微镜、测量显微镜
常规镜头：鱼眼镜头：6-16mm超广角镜头：17-21mm广角镜头：24-35mm标准镜头：45-75mm长焦镜头：150-300mm超长焦镜头：300mm以上

特殊镜头：微距镜头远距镜头远心镜头红外镜头紫外镜头

远心镜头特性：

远心镜头（Telecentric lens），主要是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。此外，远心镜头(Telecentric lens)相比普通镜头，还具有低畸变，高景深，高分辨力等特性。远心镜头由于其特有的平行光路设计一直为对镜头畸变要求很高的机器视觉应用场合所青睐，广泛应用于半导体、机械零部件，科研、激光测径，印钞等相关行业，主要完成精密测量、定位等工作任务。

1.远心特性非远心镜头下图光学系统无法确保视场内一致的放大率，于是总会造成测量精度的下降。

2.低畸变特性大多数精确测量的场合需要对微小畸变进行标定，优秀的远心镜头厂家采集精确的灰度图像并进行精确分析以测量畸变，使得远心镜头的畸变如此微小，更真实的还原图像。

3.高景深范围和高解析度过小的景深会引起对比度的下降，结果会降低分辨力。远心镜头具有高的景深范围和解析度，满足各种不同的测试要求。

远心镜头与普通镜头对比

远心工业镜头主要是为纠正传统工业镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。

普通工业镜头目标物体越靠近镜头（工作距离越短），所成的像就越大。在使用普通镜头进行尺寸测量时，会存在问题。

普通镜头优点：成本低，实用，用途广。

普通镜头缺点：放大倍率会有变化，有视差。

普通镜头应用：大物体成像。

远心镜头的优点：放大倍数恒定，不随景深变化而变化，无视差。

远心镜头的缺点：成本高，尺寸大，重量重。

远心镜头的应用：度量衡方面，基于CCD方面的测量，微晶学