工业镜头好使吗 温故而知新：工业镜头知多少？

温故而知新：工业镜头知多少？

在搭建图像处理环境中我们时常需要收集目标物体反射的光，通过相机得到高质量的图像。那么这个收集光线的装置就是镜头。他的基本成像原理如下图：

光通过凸透镜时会有什么特性?

1

平行于光轴的光发生折射后，经过焦点。

2

通过凸透镜中心的光将保持原来的方向行进。

3

通过焦点进入凸透镜的光折射后平行于光轴行进。

凸透镜成像规律是物体放在焦点之外，在凸透镜另一侧成倒立的实像，实像可分为缩小、等大以及放大三种，对于光有会聚的作用，是一种光学定律，能够在光屏上呈现的像称为实像。当使用CCD进行拍摄观察时，就可以在CCD靶面映射出实像。

02 常用镜头的种类

又称C接装工业镜头，是目前在机器视觉系统中使用广泛的工业镜头，具有重量轻，体积小，价廉，品种多等优点，它的接口罗纹参数：公称直径=1″，螺距：32牙。

C安装的一种变化接口称CS-mount，它和C-MOUNT的区别仅仅在于工业镜头的定位面到图像传感器光敏面的距离不同。C-MOUNT是17.5mm，而CS-mount是12.5mm，它们之间相差5mm，市面上的工业镜头产品如ZML系列小型变倍缩放工业镜头，全部采用标准C接口。

CS-MOUNT接口是为新的CCD而设计的，随着CCD的发展，集成度越来越高，相同分辨率的光敏阵列更小了，为此CS-MOUNT更适应有效光敏传感器尺寸更小的工业摄像机。具有CS接口的工业摄像机，可以与C和CS型接口连接，但C按装工业镜头需加装一个接圈；具有C接口的工业摄像机只能与C按装工业镜头连接，而不能与CS按装工业镜头连接，否则不但不能获得良好聚焦，还有可能损坏CCD靶面。

远心镜头（Telecentric lens），是为纠正传统镜头视差而设计，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会变化，简单的说这种镜头拍出来的图像没有近大远小关系。远心镜头又分为物方远心镜头、像方远心镜头和双侧远心镜头。

1）.物方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，物方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于物方无限远，称之为：物方远心光路。其作用为：可以消除物方由于调焦不准确带来的，读数误差。

2）.像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，像方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于像方无限远，称之为：像方远心光路。其作用为：可以消除像方调焦不准引入的测量误差。

3）.双侧远心镜头兼于上面两种远心镜头的优点。在工业图像处理中，一般只使用物方远心镜头。偶尔也有使用两侧远心镜头的，（当然价格更高）。而在工业图像处理/机器视觉这个领域里，像方远心镜头一般来说不会起作用的，因此这个行业基本是不用它的。

工业镜头最简单最专业的评测方法

工业镜头和其他镜头（如单反镜头、行车记录仪镜头、手机镜头）在使用、性能、设计、和生产等方面都是有差异的。所以要知道在评测工业镜头的性能时，我们到底要测哪些指标？专业精密的镜头测试仪器可以对一支镜头给出几十页的报告，价格也非常昂贵。作为镜头使用者而非生产者，只用一些简单的工具加算法也能实现镜头评测。

分辨率

分辨率是工业镜头最重要的参数，描述镜头能看清多少细节。镜头可以看成是一个低通滤波器。信息经过镜头后，带有细节的高频信息会丢失。

测试镜头分辨率，我们首先需要一个分辨率板。USAF1951可以读取镜头能分辨最细的线宽，我们就可以准确的读出镜头的物方分辨率。物方分辨率跟工作距离远近有关，最好换算成像方分辨率。星标板比USAF1951更加直观，但是不能读数。

一定要把视野中心调至最清晰，再分别读取中心和四角的读数。注意下，不同的镜头对比测试时，要保证光圈和工作距离的一致。测试分辨率至少要测中心和四角5个点，好的镜头四角成像差异不大。对FA镜头来说中心成像肯定优于边缘。

两款同样规格不同生产厂商的镜头

第一个镜头有明显的场曲即中心和周边不同步

畸变

光学上以放大倍率的不准确性的定义畸变，即物象空间的坐标不是线性对应的。一般离视野中心越远放大倍率变化越大。

但是由于光学畸变不容易准确测量，我们又创造了一个新的定义：TV畸变=△H/H。

Halcon等图像处理软件在标定畸变时用光学畸变。软件测量畸变大部分用TV畸变。同一支镜头，光学畸变的值要大于TV畸变。用软件Imatest测试畸变是最快速准确的。如果没有条件购买Imatest，可以根据光学畸变的定义写个程序。读取物空间坐标，找出和理论坐标的差异，再除以到中心点的距离，就知道了一个点的畸变值。但光学畸变是非线性的，尤其是混合畸变，可能出现中心枕形边缘桶形畸变。所以要尽可能多的采集点，拟合畸变曲线。

Imatest测试畸变

三个不同镜头的畸变曲线

最简单的办法就是用棋盘格标定板直接肉眼看，甚至用尺子放在视野边缘看弯曲程度。

相对照度

人们常忽视图像中心和边缘的亮度差，这在识别边缘时非常重要，过大的亮度差会导致中心和边缘图像提取特征不稳定。

测试镜头相对照度非常简单，找一块较大的亮度均匀的面光源，先想办法验证光源的亮度均匀性。对光源拍照，取中心和边缘区域平均灰度值的差值，再除以中心区域灰度值，就得到了镜头的相对照度。图像的亮度是从中心到周边逐步变暗的，各方向没有差别，所以只要对一个角取值。相对照度是会随着工作距离变化，一般工作距离越近，相对照度越高。光圈越小，亮度越均匀，相对照度越高。

相对照度曲线

对比度

对比度是经常被忽略的重要参数，人们常混淆了对比度和分辨率这两概念。对比度对应MTF图中的低频区域，分辨率对应高频区域。拍摄分辨率板，在较粗线条的边缘拉一条线，读取黑到白的连续灰度值，再由以下公式计算。

如图，ABC分别是三个镜头的MTF曲线。镜头B比A对比度好，但分辨率差。

在手机面板的检测应用中，镜头的对比度比分辨率更加重要。因为不良点和正常点常常只有个位数的灰度值差异，对比度低的镜头很难将不良点找到。

杂光

工业镜头比起安防、单反和车载镜头，对杂光的要求不高。这是因为大部分机器视觉应用打光较均匀，环境稳定，强光直射入镜头的情况比较少。杂光问题比较难解决，不良现象种类多，不同的环境光下，镜头的不良现象会不同。用一个强光手电筒，可以简单测试镜头抗杂光能力。如果在项目中遇到杂光，请试着调整光源角度，或者安装偏振片。实在不行就需要更换镜头。

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