gd6611光大

　　一、什么是機器視覺鏡頭

gd6611光大　　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；凹透鏡對光線有發散作用，也稱為發散透鏡或負透鏡。由于正負透鏡具有相反的作用，所以經常將兩者配合使用，以矯正像差或其他失真。

　　2、光闌

gd6611光大　　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。為了調節進光量，普通鏡頭都具有光圈調節環，調節環轉動時帶動鏡頭內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、自動調焦

gd6611光大　　自動調焦鏡頭可以根據不同的成像目標對鏡頭的焦距進行自動調整，從而確保在多種應用下都能實現精確聚焦。CCD相機一般采用差分式對比傳遞函數方式進行自動調焦。

　　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

gd6611光大　　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

gd6611光大　　鏡頭幾個基本的參數包括焦距（長焦，廣角，變焦范圍），F值（表征透光率）等。

　　而工業用鏡頭與之相比，更關注以下幾個參數：

　　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。

gd6611光大　　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等規格的鏡頭。

　　根據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變為200mm。

　　3、視野

gd6611光大　　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」。嚴謹的來說，對焦位置只有一個，只不過肉眼在一定的范圍內感覺圖像能夠清晰成像，我們將此范圍稱為景深。

gd6611光大　　我們在拍攝斜面上粘貼表示高度的膠帶的這個對象時，針對調大光圈的情況和調小光圈的情況進行比較。

gd6611光大　　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。

gd6611光大　　（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

gd6611光大　　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不斷增多，顯示器倍率這一概念也已經普及。

　　（1）光學倍率：用數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。

gd6611光大　　（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

gd6611光大　　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。

gd6611光大　　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。

gd6611光大　　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生歪曲的狀態。

　　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」。一個鏡失真的參數以百分比表示。

　　三、機器視覺鏡頭之遠心鏡頭

gd6611光大　　我們都有這種印象，一個物體在人眼看來，會有近大遠小的現象。這是因為物體近的時候，在視網膜上投影大，小的時候，投影小。鏡頭也是一樣，因為近大遠小的原因，會產生誤差。特別是在做尺寸測量的時候，就尤其關鍵。

gd6611光大　　為了解決這個問題，就產生了遠心鏡頭。簡單講就是不會因為WD工作距離的遠近而在投影端產生大小變化的的鏡頭。

gd6611光大　　對于有厚度測產品，也會照出截面的效果。

gd6611光大　　遠心鏡頭主要應用于精密測量。在精密光學測量系統中，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，因此遠心鏡頭已經成為精密光學檢測系統決定性的組件，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

gd6611光大　　1、普通鏡頭優點：

gd6611光大　　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。

gd6611光大　　3、普通鏡頭應用：

　　大物體成像。

　　（二）遠心鏡頭

gd6611光大　　1、遠心鏡頭的優點：

　　放大倍數恒定，不隨景深變化而變化，無視差。

gd6611光大　　2、遠心鏡頭的缺點：

gd6611光大　　成本高，尺寸大，重量重。

　　3、遠心鏡頭的應用：

gd6611光大　　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；

　　5、影像至目標的距離；

　　6、中心點/節點；

　　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設計的一個重要環節。