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　　一、什么是機(jī)器視覺鏡頭

　　簡(jiǎn)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(shí)像，并投影到接收面的物體。此時(shí)，匯集光線的點(diǎn)稱為焦點(diǎn)，鏡頭中心到焦點(diǎn)的距離稱為焦點(diǎn)距離。

　　當(dāng)鏡頭為凸鏡時(shí)，焦點(diǎn)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(diǎn)距離越短。

　　機(jī)器視覺光學(xué)系統(tǒng)的鏡頭一般由一組透鏡和光闌組成，下面分別做簡(jiǎn)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(duì)光線具有會(huì)聚作用，也稱為會(huì)聚透鏡或正透鏡；凹透鏡對(duì)光線有發(fā)散作用，也稱為發(fā)散透鏡或負(fù)透鏡。由于正負(fù)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(jìn)入鏡頭的光束大小一般由透鏡框和其他機(jī)械結(jié)構(gòu)決定。通常在鏡頭中設(shè)置設(shè)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(jìn)光量，普通鏡頭都具有光圈調(diào)節(jié)環(huán)，調(diào)節(jié)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)鏡頭內(nèi)的黑色葉片以光軸為中心做伸縮運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)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(dòng)光圈

　　在機(jī)器視覺中，自動(dòng)光圈的主要作用是通過自動(dòng)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(dòng)光圈鏡頭目前主要有兩類：一類是視頻驅(qū)動(dòng)型(Video)，另一類是直流驅(qū)動(dòng)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(jī)器視覺的設(shè)計(jì)靈活性。

　　5、自動(dòng)調(diào)焦

　　自動(dòng)調(diào)焦鏡頭可以根據(jù)不同的成像目標(biāo)對(duì)鏡頭的焦距進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而確保在多種應(yīng)用下都能實(shí)現(xiàn)精確聚焦。CCD相機(jī)一般采用差分式對(duì)比傳遞函數(shù)方式進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦。

　　6、鏡頭接口

　　物鏡的接口尺寸國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)共有三種：F型、C型、CS型。F型比較通用，一般實(shí)用于焦距大于25mm的鏡頭，而小于25mm時(shí)因?yàn)槲镧R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(biāo)主要包括焦距、相對(duì)孔徑、視場(chǎng)角度和光譜特性幾個(gè)方面。根據(jù)不同的應(yīng)用條件，需要做相應(yīng)選擇。

　　二、機(jī)器視覺鏡頭的重要參數(shù)

　　鏡頭幾個(gè)基本的參數(shù)包括焦距（長(zhǎng)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(guān)注以下幾個(gè)參數(shù)：

　　1、WD（WorkDistance，工作距離）

　　WD表示焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)拍攝對(duì)象時(shí)，鏡頭頂端到拍攝對(duì)象的距離。也稱為作動(dòng)距離。

　　當(dāng)為CCD時(shí)，比例公式工作距離：視野＝焦點(diǎn)距離：CCD尺寸成立。

　　2、焦點(diǎn)距離（焦距）

　　FA(FactoryAutomation)鏡頭中有代表性的鏡頭為焦點(diǎn)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(duì)象所需的視野和焦點(diǎn)距離，可以求出對(duì)焦位置＝WD（工作距離）。

　　WD和視野的大小由鏡頭的焦點(diǎn)距離和CCD的尺寸來決定。

　　例如：焦點(diǎn)距離為16mm鏡頭，CCD尺寸3.6mm時(shí)，如果想把視野設(shè)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(duì)象和鏡頭的工作距離越長(zhǎng)，則視野越廣（視野角）。另外，視野的廣度由鏡頭的焦點(diǎn)距離來決定。相對(duì)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(diǎn)距離越短，則視角越大，視野也就越廣。相反，焦點(diǎn)距離越長(zhǎng)，則可以放大遠(yuǎn)處的拍攝對(duì)象。

　　4、景深

　　景深是指使人感覺鏡頭對(duì)焦的深度范圍（拍攝物體側(cè)的距離）。范圍較大時(shí)，稱為「景深深」，相反范圍較小時(shí)稱為「景深淺」。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膩碚f，對(duì)焦位置只有一個(gè)，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?cè)谂臄z斜面上粘貼表示高度的膠帶的這個(gè)對(duì)象時(shí)，針對(duì)調(diào)大光圈的情況和調(diào)小光圈的情況進(jìn)行比較。

　　最終的景深需要實(shí)測(cè)才能知道。因?yàn)槌绥R頭本身的結(jié)構(gòu)外，影響景深的因素還有很多：

　　（1）鏡頭本身。

　?。?）光圈越小，景深越大。

　?。?）照明越亮，景深越大。（快門速度越慢，景深越大）

　?。?）焦距越小，景深越大。

　?。?）WD工作距離越大，景深越大。

　?。?）CCD的單個(gè)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(xué)測(cè)量?jī)x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(shí)，人們感覺2根線好像重疊在一起。這時(shí)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(cè)對(duì)象的實(shí)際大小與通過光學(xué)測(cè)量?jī)x器成像大小的比率。以往在通過顯微鏡的接眼部觀察時(shí)，我們使用光學(xué)倍率這一概念，但是近年來由于可以將觀測(cè)對(duì)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。

　?。?）光學(xué)倍率：用數(shù)碼相機(jī)的原理考慮時(shí)，光學(xué)倍率可以通過「CCD有效像素大小÷視野」來求得。

　?。?）顯示器倍率：顯示器倍率可以通過「顯示器對(duì)角÷CCD素子對(duì)角×光學(xué)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(zhǔn)。準(zhǔn)確的來說，就是鏡頭的焦點(diǎn)距離除以鏡頭直徑（口徑）得到的值。F值的「F」來源于focal（焦點(diǎn)的）這個(gè)詞。

　　事實(shí)上，鏡頭并不會(huì)讓所有光線都透過，其中的一部分會(huì)反射。而且，為了減少像差使用多個(gè)鏡頭時(shí)，透過的光量會(huì)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(diǎn)距離和直徑的關(guān)系，是可以大大影響鏡頭明暗的要素之一，也即F值。這個(gè)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(jī)都會(huì)在鏡頭旁刻上「F=2.5」「1:2.5」的標(biāo)記，這就表示F值為2.5。

　　在相機(jī)鏡頭的性能上，如果F值達(dá)到2.0左右，則表示這個(gè)相機(jī)的明亮等級(jí)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(shí)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(huì)沿著直線傳播，而實(shí)際上光通過鏡頭后會(huì)向外側(cè)或者內(nèi)側(cè)歪曲。前者稱為「桶形失真」，后者稱為「枕形失真」。一個(gè)鏡失真的參數(shù)以百分比表示。

　　三、機(jī)器視覺鏡頭之遠(yuǎn)心鏡頭

　　我們都有這種印象，一個(gè)物體在人眼看來，會(huì)有近大遠(yuǎn)小的現(xiàn)象。這是因?yàn)槲矬w近的時(shí)候，在視網(wǎng)膜上投影大，小的時(shí)候，投影小。鏡頭也是一樣，因?yàn)榻筮h(yuǎn)小的原因，會(huì)產(chǎn)生誤差。特別是在做尺寸測(cè)量的時(shí)候，就尤其關(guān)鍵。

　　為了解決這個(gè)問題，就產(chǎn)生了遠(yuǎn)心鏡頭。簡(jiǎn)單講就是不會(huì)因?yàn)閃D工作距離的遠(yuǎn)近而在投影端產(chǎn)生大小變化的的鏡頭。

　　對(duì)于有厚度測(cè)產(chǎn)品，也會(huì)照出截面的效果。

　　遠(yuǎn)心鏡頭主要應(yīng)用于精密測(cè)量。在精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中，由于普通光學(xué)鏡頭會(huì)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(dāng)光源干擾下造成邊界的不確定性等問題，進(jìn)而影響測(cè)量的精度。而遠(yuǎn)心鏡頭能有效降低甚至消除上述問題，因此遠(yuǎn)心鏡頭已經(jīng)成為精密光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)決定性的組件，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。

　　遠(yuǎn)心鏡頭和普通鏡頭的簡(jiǎn)單對(duì)比如下：

　?。ㄒ唬┢胀ㄧR頭

　　1、普通鏡頭優(yōu)點(diǎn)：

　　成本低，實(shí)用，用途廣。

　　2、普通鏡頭缺點(diǎn)：

　　放大倍率會(huì)有變化，有視差。

　　3、普通鏡頭應(yīng)用：

　　大物體成像。

　?。ǘ┻h(yuǎn)心鏡頭

　　1、遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)點(diǎn)：

　　放大倍數(shù)恒定，不隨景深變化而變化，無視差。

　　2、遠(yuǎn)心鏡頭的缺點(diǎn)：

　　成本高，尺寸大，重量重。

　　3、遠(yuǎn)心鏡頭的應(yīng)用：

　　度量衡方面，基于CCD方面的測(cè)量，微晶學(xué)。

　　四、機(jī)器視覺鏡頭的選擇

　　機(jī)器視覺鏡頭在選擇時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

　　1、焦距；

　　2、目標(biāo)高度；

　　3、影像高度；

　　4、放大倍數(shù)；

　　5、影像至目標(biāo)的距離；

　　6、中心點(diǎn)/節(jié)點(diǎn)；

　　7、畸變。

　　五、機(jī)器視覺鏡頭的作用

　　機(jī)器視覺中鏡頭的作用是將目標(biāo)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(jī)器視覺的整體性能，合理選擇光學(xué)鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。