工业镜头光圈系数工业镜头的主要参数对成像质量的影响|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

工业镜头的主要参数对成像质量的影响

在机器视觉系统应用中，好的镜头就相当于人拥有好的眼睛，其作用是将光学图像聚焦在图像传感器的光敏面阵上。一个高质量的工业镜头，在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好的体现，对各种图像的校正也比较好，但其价格也会相应的提高。

在选择工业相机的同时选择合适的镜头，你可能认为自己需要的是高分辨率的相机，但是却没有选择性价比高的镜头去搭配，最后可能在高分辨率相机上浪费钱。一个高性价比镜头，不仅体现在图像效果的层面上，也体现视觉项目的成本预算中。所以，如果我们掌握一些选择镜头的规律和经验，就可以使用同档次的镜头达到更好的效果。

不同类型的工业镜头，成像质量也各不相同；即使类型相同，其成像质量也有着很大的差异，主要是因为镜头材质、加工精度和镜片结构等因素造成的，所以也导致不同档次的镜头价格有着巨大的差异。

行业中一般用光学传递函数OTF （Optical Transfer Function）来综合评价某个镜头成像质量的好与坏，光学传递函数，即光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息，当它在传递被拍物图像数据信息时，被传递为各空间频率的正弦波信号，其调制度和位相在成实际像时的变化，均为空间频率的函数。

像差则是影响图像质量的重要因素，常见的像差有： 

球差：由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经光学折射后，由同一物点散射的光束经过透镜后，不交在同一位置上，以至在主轴上的理想像平面处，形成一个漫射光斑，即此现象称为球差。

慧差：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。 

像散：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。



场曲：垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像误差称为场曲。

色差：由白色物体向光学系统发出一束白光，经光学系统折射后，各色光不能会聚于一点上，而形成一彩色像斑，称为色差。

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畸变：被拍平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。

评价镜头质量时还会从分辨率、明锐度和景深等实用参数判断：

1、分辨率：又称鉴别率、解像力，指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力，制约镜头分辨率的原因是光的衍射现象，即衍射光斑。

2、明锐度：也称对比度，是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。

3、景深：调焦物平面前后的能形成相对清晰影像的实物纵深距离，也就是能获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称为景深。

4、最大相对孔径与光圈系数：相对孔径，是指该镜头的入射光孔直径（D）与焦距（f）之比，即：相对孔径＝D/ f 。相对孔径的倒数称为光圈系数。

工业镜头质量的好坏，直接影响到图像质量的效果，最终影响到机器视觉系统的整体性能，镜头主要参数对成像质量的影响：

1、焦距大小的影响

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。

2、 光圈大小的影响

光圈越大，图像亮度越高；光圈越大，景深越小；

光圈越大，分辨率越高；光圈越大，球差和慧差越严重；

光圈越大，渐晕现象越严重，光场照度越不均匀。

3、图像中心与边缘的影响

图像中心较边缘分辨率高；

图像中心较边缘光场照度高；

像图像中心较边缘畸变小；

4、光波的影响

在相同的相机及镜头参数条件下，视觉光源的光波波长越短，镜头的分辨力越高。所以在精密测量的视觉系统项目中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统稳定性和图像精度有很大的作用。

机器视觉系统之工业镜头选型

镜头的基本光学性能由焦距、相对孔径（光圈系数）和视场角（视野）这三个系数表征。因此，在选择镜头时，首先需要确定这三个参数，最主要的是确定焦距，然后再考虑分辨率、景深、畸变、接口等其他因素。首先需要考虑下面因素：

是否使用远心镜头：

远心镜头最主要的功能就是克服透视相差的影响，使得检测目标在一定范围内运动时得到的尺寸数据几乎不变。

景深要求：

有些特殊要求的视觉系统需要景深比较大的镜头。如，有些项目中要求将工业相机成一定角度且要求整个物体成像清晰；被测目标不在同一个平面上，这就需要考虑镜头的景深。

镜头芯片尺寸：

每种机器视觉镜头都只能兼容芯片不超过一定尺寸的相机。因此为了保证整幅图像的质量，机器视觉镜头的最大适配芯片尺寸必须大于与之配套的芯片尺寸，否则会引起严重的畸变和相差。

镜头的接口：

机器视觉镜头接口和相机接口都分为C、CS、F和其他更大尺寸的接口类型。相机和镜头是互补的，即C接口的相机只能用C接口的镜头。

镜头的焦距：

镜头的焦距主要对视场、工作距离有较大影响。在确定工业镜头焦距之前必须先确定视场、工作距离、相机芯片尺寸等因素。

镜头的畸变：

畸变是视野中局部放大倍数不一致造成的图像扭曲。由于受制作工艺的影响，镜头畸变是不可避免的，镜头越好畸变越小。一般在精密测量系统等精度要求高的情况下，必须考虑视觉镜头的畸变。

最后选择镜头前，有以下几点需要先确认：

1、对安装空间有限制要求的：镜头的大小、长度及其他参数。

2、工业镜头的工作环境：是否需要防水、防尘设施。

3、拍照系统是否运动：速度过快的话，因为惯性，拍照系统有可能会偏移。

4、对光谱响应有特殊要求的：例如紫外环境，普通的玻璃镜头会吸收几乎所有紫外光。

5、是否需要在镜头上加光源：根据项目环境，对于需要增加亮度的，则要添加光源。

6、价格要求：根据项目的实际情况选择合适的镜头。

在镜头制造技术上，国外仍是领先者，在技术层面仍有着较大的差距，主要体现在新品开发和研发周期上。但是随着计算机技术的发展，对镜头也将提出更高的要求。市场竞争逼使企业创新意识增强，这对国产厂商来说，是一个巨大的挑战，也是一个巨大的发展机遇。只有重视技术革新和产品创新，才能使产品的品质和稳定性有突破性的提高。