科普篇 工业检测镜头介绍

镜头作为工业相机的眼睛，是机器视觉系统中的一个关键组件,将目标物体的图像聚焦在相机的光敏器件上。系统所处理的所有图像信息均需要通过镜头得到，镜头的质量和选型直接影响到视觉系统的整体性能。

工业镜头成像原理

镜头等同于针孔成像中针孔的作用，不同之处在于，一方面镜头的透光孔径比针孔大很多倍，能在同等时间内接纳更多的光线，使相机能在毫秒到秒级获得适当的曝光；另一方面，镜头能够聚集光束，可以在相机胶片上产生比针孔成像效果更为清晰的影像。

工业镜头构成

工业镜头主要参数

1、焦距

指从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离。镜头焦距的大小决定视场角的大小、拍摄距离、成像范围和景深，常用焦距有8、12、16、25、35、50等。

2、光圈

一个用来控制光线透过镜头，进入相机感光面光量的装置，可以通过加入多边形或圆形，且面积可变的孔径光栅来控制镜头的通光量。

3、分辨率

指镜头可清晰分辨被拍摄物体细节的能力,在像平面以每毫米里面能够分辨黑白对线的数量为计量单位，分辨率越高的镜头成像越清晰。

4、放大倍数

指图像大小与物体大小之比，CCD/FOV,即芯片尺寸除以视野范围。

5、最小工作距离

镜头能够对焦清晰的最小工作距离。

6、景深

在被摄物体聚焦清晰后，位于调焦平面前后一定距离内还能够清晰成像的纵深距离称为景深。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化，与光圈、焦距成反比，与距离拍摄体成正比。

7、视野范围

相机实际拍到区域的尺寸。

8、数值孔径

数值孔径与与分辨率和放大率成正比，数值孔径越大,分辨率越高。

9、后背焦

指相机接口平面到芯片的距离。在线扫描镜头或者大面阵相机的镜头选型时,后倍焦是一个非常重要的参数,直接影响镜头的配置。

10、接口

镜头与相机的连接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。

11、畸变

畸变是镜头在成像时，特别是用短焦镜头拍摄大视场，图像产生的形变。拍摄场景越大，所用镜头焦距越短，畸变程度越明显。

工业镜头分类

1、以焦距分

短焦距镜头：入射角较款，视景宽阔。

中焦距镜头：标准镜头，50mm。

长焦距镜头：入射角较窄，适于远距离监视电动变焦距镜头：通过遥控装置进行光对焦，光圈开度改变焦距。

2、以放大倍率是否固定分

远心镜头：在一定物距范围内得到的图像放大倍率不会变化。

非远心镜头：普通FA镜头。

3、以视场分

标准镜头：视角30度左右，焦距长度接近相机画幅对角长度的镜头。

广角与超广角镜头：视角55度以上，标准镜头<焦距<视角。

变焦镜头：成像清晰的前提下，通过镜头焦距的变化改变视场大小。

鱼眼镜头、反射式镜头、微距镜头、针孔镜头等。

4、以远心类型分

双远心工业镜头、像方远心镜头和物方远心镜头。

5、以接口分

常用包括接口C、CS、F 、V、T2、徕卡、M42、M50等。

工业镜头选型参考

1、 镜头可支持的最大CCD尺寸 应大于等于选配相机CCD芯片尺寸。

2、焦距 的选择，通过相机CCD尺寸、工作距离和视野,计算出所需镜头焦距，并选择视野范围比观测范围稍大的镜头。

3、 镜头光圈 的选择，光圈大小决定图像的亮度,在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中,应该选用大光圈镜头,以提高图像亮度。

4、远心镜头 的选择，远心镜头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。

5、 确定C接口/CS接口 ，C接口距离17.5mm，CS接口12.5mm，避免无法合焦。

6、 根据感光器件 大小选择镜头，如2/3寸感光芯片要选择对应成像的镜头，否则容易出现暗角。

7、景深与光环境配合 ，光线充足，配备光源照射的可以选用小光圈，加大景深，提高拍摄清晰度，光线不足的选择大光圈或采用高感光度的感光芯片。

视觉工业检测系统已经在工业生产中必不可少，其中工业相机镜头对于捕捉产品的瑕疵缺陷是很重要的环节也是非常重要的元器件，系统若想完全发挥其功能,镜头必须要能够满足要求才行。

“芯算一体”能够深度理解客户需求，结合多年行业经验，从多方面综合考虑选择合适的相机镜头，使整个系统能够完美高效的运行。

工业镜头分类

光学镜头是机器视觉系统中不可缺少的部件，直接影响系统成像质量的优劣，影响图像算法的实现和效果。所以选择合适的工业镜头，降低自动化视觉系统的制造成本，才是产业发展的唯一出路。

不同的镜头使用的光学设计也不同，镜头内部构造设计也千差万别，而其成像质量的优劣，则取决于光学设计的水平和镜片材质的好坏。这里我们先不详细介绍镜头好坏到底怎么区分，从购买的角度来说，越贵的镜头素质越高，基本是不变的金科玉律。

镜头的内部构造非常复杂，也是最能反映镜头好坏的部分参数，直接关系到成像质量的优劣。这部分构造一般不可见，主要由结构复杂的多组多枚透镜组成，不同的透镜加工方法、材质均不同。

目前光学镜头规格种类繁多，有时不免让人眼花缭乱。光学镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头。从视场大小分有广角、标准，远心镜头。从光圈、对焦结构分有固定光圈定焦镜头，手动光圈定焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变焦镜头等。

我们这里说的镜头是物理和光学意义上的镜头，是照相机感光元件之前，由透镜组成的光学装置。镜头是相机的眼睛，为了适应不同的项目环境要求，需要根据实际情况配置不同规格的镜头。

从光圈对焦结构上对镜头分类

1、 固定光圈定焦镜头

固定光圈镜头，其通光量是固定的。镜头设计相对变焦镜头而言要简单得多，上面只有一个手动调整的对焦调整环，左右旋转该环可以调整 CCD靶面上的图像的清晰度。但是结构上没有光圈调整环，所以不能调整光圈，导致进入镜头的通光量不能通过改变镜头光圈而改变，只能通过改变外界视场的光照度来调整通光量。

比如常用的远心镜头，即无光圈可调，也无对焦可调的。只能通过外部光源、相机曝光时间、增益改变亮度，调整相机、镜头位置控制图像的清晰度。此类镜头都具有结构简单，价格便宜、对焦速度快，成像质量稳定等优点。

2、 手动光圈定焦镜头

手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环，对焦速度相对比较慢。光圈范围一般从F1.2或F1.4到全关闭，能方便地适应被拍现场的光照度，通过手动的方式调整光圈来进行对焦，这种方式很大程度上面依赖人眼对成像效果的判别。此类镜头具有光照度比较均匀，成像清晰，价格较便宜等特点。

3、自动光圈定焦镜头

在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加用于调整光圈的微型电机，并从电机驱动电路中引出接口线，接到相机自动光圈接口座上。当进入镜头的光通量发生变化时，CCD靶面上产生的电荷就会发生相应的改变，从而使信号电平也发生变化，产生一个脉冲控制信号，传给自动光圈镜头。镜头内的电机接收到信号后，根据电平信号的方向做相应的正向或反向转动，完成调整光圈大小的工作，从而达到控制镜头光圈的目的。

4、 手动光圈变焦镜头

镜头焦距可变的，机构上还有一个焦距调整环，可以在一定范围内手动调整镜头的焦距。其可变比范围一般为2～3倍，焦距变化范围一般为3.6~8mm。实际应用中，可通过手动调节镜头的变焦环，可以方便地选择拍摄物体的特征点。但是如果相机安装位置固定以后，再频繁地手动调整变焦是很不方便的，成像也不一定能达到理想效果。因此，安装固定后，手动变焦镜头的焦距一般很少再次进行调整，仅起定焦镜头的作用。

5、 自动光圈电动变焦镜头

在自动光圈定焦镜头的基础上增加两个微型电机做驱动电路，其中一个微型电机与镜头的变焦配合，当电机转动时可以控制镜头的焦距。另外一个电机与镜头的对焦配合，当其受控转动时，可自动完成镜头的对焦。但是由于增加了两组电机且镜片组数亦增多，导致镜头的体积也相应增大，价格也相应的增加。

6、电动三可变镜头

三可变是指焦距、聚焦、光圈三个参数均通过电动马达驱动变化，与自动光圈电动变焦镜头相比，三可变镜头只是将通过电动马达驱动控制焦距、聚焦、光圈的控制方式修改为由控制器来手动控制。

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