工业相机镜头凸镜机器视觉检测的基础知识【镜头篇】|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

机器视觉检测的基础知识【镜头篇】

一，什么是镜头？

▼简单讲就是在其一端收集物体的光线，并将光线在另一端汇聚为实像，并投影到接收面的物体。此时，汇集光线的点称为焦点，镜头中心到焦点的距离称为焦点距离。当镜头为凸镜时，焦点距离将根据镜头的厚度（膨胀）程度不同而各不相同。膨胀程度越大焦点距离越短。

二，镜头的重要参数。

玩摄影的朋友都知道，镜头几个基本的参数包括焦距（长焦，广角，变焦范围），F值（表征透光率）等。而工业用镜头与之相比，更关注以下几个参数：

1，WD（Work Distance工作距离）

表示焦点对准拍摄对象时，镜头顶端到拍摄对象的距离。也称为作动距离。当为 CCD 时，比例公式工作距离：视野＝焦点距离：CCD 尺寸成立。

2，焦点距离（焦距）

▼FA(Factory Automation) 镜头中有代表性的镜头为焦点距离为 8 mm /16 mm /25 mm /50 mm等规格的镜头。根据想要拍摄的拍摄对象所需的视野和焦点距离，可以求出对焦位置＝ WD （工作距离）。

WD 和视野的大小由镜头的焦点距离和 CCD 的尺寸来决定。例如：焦点距离为 16 mm 镜头、CCD 尺寸 3.6 mm 时，如果想把视野设为 45 mm，则 WD 变为 200 mm。

3，视野

▼工作距离范围中的拍摄范围。一般来说，拍摄对象和镜头的工作距离越长，则视野越广（视野角）。另外，视野的广度由镜头的焦点距离来决定。我们将相对于视野，使用镜头可以拍摄的范围的角度称为视角或者视野角。镜头的焦点距离越短，则视角越大，视野也就越广。相反，焦点距离越长，则可以放大远处的拍摄对象。

4，景深

是指使人感觉镜头对焦的深度范围（拍摄物体侧的距离）。范围较大时，称为「景深深」，相反范围较小时称为「景深浅」。严谨的来说，对焦位置只有一个，只不过肉眼在一定的范围内感觉图像能够清晰成像。我们将此范围称为景深。

▼如下图所示，我们在拍摄斜面上粘贴表示高度的胶带的这个对象时，针对调大光圈的情况和调小光圈的情况进行比较。

最终的景深需要实测才能知道。因为除了镜头本身的结构外，影响景深的因素还有很多。

1，镜头本身。

2，光圈越小，景深越大。

3，照明越亮，景深越大。（快门速度越慢，景深越大）

4，焦距越小，景深越大。

5，WD工作距离越大，景深越大。

6，CCD的单个像素直径越大，景深越大。

5，镜头的分辨率

镜头的分辨率不光使用在图像处理中，它是指所有光学测量仪器中使用的镜头可以观察的最小间隔。如分辨率为 10 μm 的镜头，可以清晰的观察线宽为 10 μm、间距为 10 μm 并列条纹线。分辨率不足时，人们感觉 2 根线好像重叠在一起。这时候，需要更高分辨率的镜头。

6，镜头的倍率

所谓倍率，是指检测对象的实际大小与通过光学测量仪器成像大小的比率。以往在通过显微镜的接眼部观察时，我们使用光学倍率这一概念，但是近年来由于可以将观测对象物显示在液晶显示器上的系统不断增多，显示器倍率这一概念也已经普及。

【光学倍率】

用数码相机的原理考虑时，光学倍率可以通过「CCD 有效像素大小 ÷ 视野」来求得。

【显示器倍率】

显示器倍率可以通过「显示器对角 ÷ CCD 素子对角 × 光学倍率」来求得。

7，F值

F 值（或者光圈值）是指表示镜头的明亮度的基准。准确的来说，就是镜头的焦点距离除以镜头直径（口径）得到的值。F 值的「F」来源于 focal （焦点的）这个词。

事实上，镜头并不会让所有光线都透过，其中的一部分会反射。而且，为了减少像差使用多个镜头时，透过的光量会变少。

因此，光的透过量较多，可以获得明亮成像的镜头我们称为「亮」，相反光的透过量较镜头则称为「暗」。可以大大影响镜头的明暗的要素之一，就是镜头的焦点距离和直径的关系，也即 F 值，这个值较小的镜头称为「亮镜头」，较大的镜头称为「暗镜头」。一般的小型相机都会在镜头旁刻上「F = 2.5」「1:2.5」的标记，这就表示 F 值为 2.5。

在相机镜头的性能上，如果 F 值达到 2.0 左右，则表示这个相机的明亮等级非常高。

8，歪曲像差（失真）

▼歪曲像差（失真）表示通过镜头成像的图像发生歪曲的状态。事实上不存在形状完美的镜头。因此，虽然从理论上来说，直射光通过镜头后会沿着直线传播，而实际上光通过镜头后会向外侧或者内侧歪曲。前者称为「桶形失真」，后者称为「枕形失真」。一个镜失真的参数以百分比表示。

三，远心镜头

大家都有这种印象，一个物体在人眼看来，会有近大远小的现象。这是因为物体近的时候，在视网膜上投影大，小的时候，投影小。镜头也是一样，因为近大远小的原因，会产生误差。特别是在做尺寸测量的时候，就尤其关键。

为了解决这个问题，就产生了远心镜头。简单讲就是不会因为WD工作距离的远近而在投影端产生大小变化的的镜头。

对于有厚度测产品，也会照出截面的效果。

远心镜头主要应用于精密测量。在精密光学测量系统中，由于普通光学镜头会存在一定的制约因素，如影像的变形、视角选择而造成的误差、不适当光源干扰下造成边界的不确定性等问题，进而影响测量的精度。而远心镜头（Telecentric镜头）能有效降低甚至消除上述问题，因此Telecentric镜头已经成为精密光学量测系统决定性的组件，其应用领域也越来越广泛。

远心镜头和普通镜头的简单对比如下：

普通镜头优点：成本低，实用，用途广。

普通镜头缺点：放大倍率会有变化，有视差。

普通镜头应用：大物体成像。

远心镜头的优点：放大倍数恒定，不随景深变化而变化，无视差。

远心镜头的缺点：成本高，尺寸大，重量重。

远心镜头的应用：度量衡方面，基于CCD方面的测量，微晶学

【视觉知识】工业镜头设计溯源--原始镜头（下）

工业镜头设计溯源--原始镜头（下）

在前期推文中，我们介绍了6支原始镜头中的前三支。接下来我们将继续介绍剩下的三支镜头

4. Cooke Triplet 镜头

1893年，就职于库克公司的丹尼斯·泰洛设计了一款三片式的镜头，命名为库克三片式镜头。最初泰洛的想法是消除场曲的影响，把同等焦距的单凸透镜和单凹透镜紧靠一起，光焦度为零，场曲也是零。但是零光焦度的元件对系统没意义，场曲与透镜间距无关，因此把这两片原来紧靠在一起的透镜拉开，场曲仍旧是零，但光焦度表现为正数。这样虽然减小了场曲，但是也引入了其他的像差，为了进一步改善成像质量，泰洛将凸透镜一分为二，放置在凹透镜的两边，形成一种对称的结构，从而形成了最初的库克三片式镜头。早期由三片分离透镜构成的库克镜头，其光阑位于透镜之间，现在通常将光阑放在透镜后，以减少色差，但是这样的做法也给系统带来了较大的轴外球差，为了减少球差，通常采用在像面前增加一个遮光阑的方法，这样做虽然中心部分成像质量有所提高，但是像面面积减小，边缘部分亮度低，也就是所说的暗角现象。虽然库克镜头存在一定的缺陷，简单的装配、简洁的结构。锐利的中心和暗化的边缘，成为了一种独特的艺术氛围。

5.远摄镜头

远摄镜头大约在19世纪80年代由英国人和德国人同时发明。其中“远摄”的定义并非“长焦距”，而是“镜头的物理长度短于其焦距”。远摄同时还是一种镜头设计类型。所有的远摄镜头都有相同的关键结构：前组正镜组（凸镜），和后组负镜组（凹镜）。优点正如其名，缺点也很明显，远摄镜头天生就有枕形畸变，而且长焦镜头也很难做到大光圈。这些问题不是不能解决，但是需要大尺寸的前镜组，所以会导致镜头变得非常巨大。不过，对远摄结构设计来说，最重要的问题是纵向色差。后组负镜组会放大任何一种像差，尤其是纵向色差（不同色光会聚焦在不同位置上，导致图像模糊）。这就是为什么高质量的长焦镜头一般都至少有一片低色散镜片的原因。

6.倒置远射镜头

倒置远摄镜头最早出现在上世纪20年代，用于电影行业：因为镜头后方的棱镜占用了大量空间，彩色摄影机需要后焦点距离很长的镜头。所以倒置远摄镜头应运而出。显而易见的，倒置远摄镜头的设计，正是将远摄设计颠倒过来：前镜组采用负镜组，后镜组为正镜组。优点是允许焦距比后焦点距离更短。换句话说，后焦点距离大于20mm的镜头也可以做到20mm焦距（单反相机必备，无反光镜相机的后焦点可以小于20mm）。这种设计还提供了相对的大光圈和广视角，拥有最小的暗角，且很少有球面像差。缺点是：像场弯曲非常常见。焦点的远近会导致像差的变化，所以通常一支在无限远成像不错的镜头在近距离拍摄的质量就会变差，反之亦然。广角镜头有多种像差，而且非常严重（彗差和横向色差，还有畸变），需要大量镜片进行校正。畸变通常很难校正（有人认为鱼眼镜头就是不校正畸变的大视角倒置远摄镜头）。