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專注于機器視覺、AI人工智能、激光、視覺檢測設備！
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2020-05-14 09:25:31 責任編輯： 瑞智光電 0
簡單講鏡頭就是在其一端收集物體的光線，并將光線在另一端匯聚為實像，并投影到接收面的物體。此時，匯集光線的點稱為焦點，鏡頭中心到焦點的距離稱為焦點距離。
當鏡頭為凸鏡時，焦點距離將根據(jù)鏡頭的厚度（膨脹）程度不同而各不相同，膨脹程度越大焦點距離越短。
機器視覺光學系統(tǒng)的鏡頭一般由一組透鏡和光闌組成，下面分別做簡單介紹：
1、透鏡
透鏡包括凸透鏡和凹透鏡兩種，其中凸透鏡對光線具有會聚作用，也稱為會聚透鏡或正透鏡；凹透鏡對光線有發(fā)散作用，也稱為發(fā)散透鏡或負透鏡。由于正負透鏡具有相反的作用，所以經(jīng)常將兩者配合使用，以矯正像差或其他失真。
2、光闌
進入鏡頭的光束大小一般由透鏡框和其他機械結構決定。通常在鏡頭中設置設置帶孔的金屬薄片以限制光束的大小，稱為光闌，其通光孔一般為圓形并中心在透鏡的中心軸上。為了調(diào)節(jié)進光量，普通鏡頭都具有光圈調(diào)節(jié)環(huán)，調(diào)節(jié)環(huán)轉動時帶動鏡頭內(nèi)的黑色葉片以光軸為中心做伸縮運動，稱為可變孔徑光闌。鏡頭中決定成像面大小的光闌稱為視場光闌。鏡頭的鏡管通常被加工成羅紋狀并漆成黑色以消除雜光的影響。
3、自動光圈
在機器視覺中，自動光圈的主要作用是通過自動調(diào)整光圈控制入射光通量的大小，從而使CCD獲得理想的曝光，以獲得理想的圖象。自動光圈鏡頭目前主要有兩類：一類是視頻驅動型(Video)，另一類是直流驅動型（DC）。
4、變焦鏡頭
變焦鏡頭的成像質(zhì)量一般低于固定焦距鏡頭，但在無須改變物距的情況下通過焦距變化即可獲得清晰的圖象，從而提高了機器視覺的設計靈活性。
5、自動調(diào)焦
自動調(diào)焦鏡頭可以根據(jù)不同的成像目標對鏡頭的焦距進行自動調(diào)整，從而確保在多種應用下都能實現(xiàn)精確聚焦。CCD相機一般采用差分式對比傳遞函數(shù)方式進行自動調(diào)焦。
6、鏡頭接口
物鏡的接口尺寸國際標準共有三種：F型、C型、CS型。F型比較通用，一般實用于焦距大于25mm的鏡頭，而小于25mm時因為物鏡的尺寸不大，便采用C型或CS型。
7、鏡頭性能
鏡頭的性能指標主要包括焦距、相對孔徑、視場角度和光譜特性幾個方面。根據(jù)不同的應用條件，需要做相應選擇。
二、機器視覺鏡頭的重要參數(shù)
鏡頭幾個基本的參數(shù)包括焦距（長焦，廣角，變焦范圍），F(xiàn)值（表征透光率）等。
而工業(yè)用鏡頭與之相比，更關注以下幾個參數(shù)：
1、WD（WorkDistance，工作距離）
WD表示焦點對準拍攝對象時，鏡頭頂端到拍攝對象的距離。也稱為作動距離。
當為CCD時，比例公式工作距離：視野＝焦點距離：CCD尺寸成立。
2、焦點距離（焦距）
FA(FactoryAutomation)鏡頭中有代表性的鏡頭為焦點距離為8mm/16mm/25mm/50mm等規(guī)格的鏡頭。
根據(jù)想要拍攝的拍攝對象所需的視野和焦點距離，可以求出對焦位置＝WD（工作距離）。
WD和視野的大小由鏡頭的焦點距離和CCD的尺寸來決定。
例如：焦點距離為16mm鏡頭，CCD尺寸3.6mm時，如果想把視野設為45mm，則WD變?yōu)?00mm。
3、視野
視野指工作距離范圍中的拍攝范圍。一般來說，拍攝對象和鏡頭的工作距離越長，則視野越廣（視野角）。另外，視野的廣度由鏡頭的焦點距離來決定。相對于視野，使用鏡頭可以拍攝的范圍的角度，我們稱為視角或者視野角。鏡頭的焦點距離越短，則視角越大，視野也就越廣。相反，焦點距離越長，則可以放大遠處的拍攝對象。
4、景深
景深是指使人感覺鏡頭對焦的深度范圍（拍攝物體側的距離）。范圍較大時，稱為「景深深」，相反范圍較小時稱為「景深淺」。嚴謹?shù)膩碚f，對焦位置只有一個，只不過肉眼在一定的范圍內(nèi)感覺圖像能夠清晰成像，我們將此范圍稱為景深。
我們在拍攝斜面上粘貼表示高度的膠帶的這個對象時，針對調(diào)大光圈的情況和調(diào)小光圈的情況進行比較。
最終的景深需要實測才能知道。因為除了鏡頭本身的結構外，影響景深的因素還有很多：
（1）鏡頭本身。
（2）光圈越小，景深越大。
（3）照明越亮，景深越大。（快門速度越慢，景深越大）
（4）焦距越小，景深越大。
（5）WD工作距離越大，景深越大。
（6）CCD的單個像素直徑越大，景深越大。
5.鏡頭的分辨率
鏡頭的分辨率不光使用在圖像處理中，它是指所有光學測量儀器中使用的鏡頭可以觀察的最小間隔。如分辨率為10μm的鏡頭，可以清晰的觀察線寬為10μm、間距為10μm并列條紋線。分辨率不足時，人們感覺2根線好像重疊在一起。這時候，需要更高分辨率的鏡頭。
6.鏡頭的倍率
所謂倍率，是指檢測對象的實際大小與通過光學測量儀器成像大小的比率。以往在通過顯微鏡的接眼部觀察時，我們使用光學倍率這一概念，但是近年來由于可以將觀測對象物顯示在液晶顯示器上的系統(tǒng)不斷增多，顯示器倍率這一概念也已經(jīng)普及。
（1）光學倍率：用數(shù)碼相機的原理考慮時，光學倍率可以通過「CCD有效像素大小÷視野」來求得。
（2）顯示器倍率：顯示器倍率可以通過「顯示器對角÷CCD素子對角×光學倍率」來求得。
7.F值
F值（或者光圈值）是指表示鏡頭的明亮度的基準。準確的來說，就是鏡頭的焦點距離除以鏡頭直徑（口徑）得到的值。F值的「F」來源于focal（焦點的）這個詞。
事實上，鏡頭并不會讓所有光線都透過，其中的一部分會反射。而且，為了減少像差使用多個鏡頭時，透過的光量會變少。
因此，光的透過量較多，可以獲得明亮成像的鏡頭我們稱為「亮」，相反光的透過量較鏡頭則稱為「暗」。鏡頭的焦點距離和直徑的關系，是可以大大影響鏡頭明暗的要素之一，也即F值。這個值較小的鏡頭稱為「亮鏡頭」，較大的鏡頭稱為「暗鏡頭」。一般的小型相機都會在鏡頭旁刻上「F=2.5」「1:2.5」的標記，這就表示F值為2.5。
在相機鏡頭的性能上，如果F值達到2.0左右，則表示這個相機的明亮等級非常高。
8.歪曲像差（失真）
歪曲像差（失真）表示通過鏡頭成像的圖像發(fā)生歪曲的狀態(tài)。
事實上不存在形狀完美的鏡頭。因此，雖然從理論上來說，直射光通過鏡頭后會沿著直線傳播，而實際上光通過鏡頭后會向外側或者內(nèi)側歪曲。前者稱為「桶形失真」，后者稱為「枕形失真」。一個鏡失真的參數(shù)以百分比表示。
三、機器視覺鏡頭之遠心鏡頭
我們都有這種印象，一個物體在人眼看來，會有近大遠小的現(xiàn)象。這是因為物體近的時候，在視網(wǎng)膜上投影大，小的時候，投影小。鏡頭也是一樣，因為近大遠小的原因，會產(chǎn)生誤差。特別是在做尺寸測量的時候，就尤其關鍵。
為了解決這個問題，就產(chǎn)生了遠心鏡頭。簡單講就是不會因為WD工作距離的遠近而在投影端產(chǎn)生大小變化的的鏡頭。
對于有厚度測產(chǎn)品，也會照出截面的效果。
遠心鏡頭主要應用于精密測量。在精密光學測量系統(tǒng)中，由于普通光學鏡頭會存在一定的制約因素，如影像的變形、視角選擇而造成的誤差、不適當光源干擾下造成邊界的不確定性等問題，進而影響測量的精度。而遠心鏡頭能有效降低甚至消除上述問題，因此遠心鏡頭已經(jīng)成為精密光學檢測系統(tǒng)決定性的組件，其應用領域也越來越廣泛。
遠心鏡頭和普通鏡頭的簡單對比如下：
（一）普通鏡頭
1、普通鏡頭優(yōu)點：
成本低，實用，用途廣。
2、普通鏡頭缺點：
放大倍率會有變化，有視差。
3、普通鏡頭應用：
大物體成像。
（二）遠心鏡頭
1、遠心鏡頭的優(yōu)點：
放大倍數(shù)恒定，不隨景深變化而變化，無視差。
2、遠心鏡頭的缺點：
成本高，尺寸大，重量重。
3、遠心鏡頭的應用：
度量衡方面，基于CCD方面的測量，微晶學。
四、機器視覺鏡頭的選擇
機器視覺鏡頭在選擇時應注意以下幾個方面：
1、焦距；
2、目標高度；
3、影像高度；
4、放大倍數(shù)；
5、影像至目標的距離；
6、中心點/節(jié)點；
7、畸變。
五、機器視覺鏡頭的作用
機器視覺中鏡頭的作用是將目標聚集在圖象傳感器的光敏面上，鏡頭質(zhì)量的好壞直接影響到機器視覺的整體性能，合理選擇光學鏡頭是機器視覺系統(tǒng)設計的一個重要環(huán)節(jié)。
