工业相机镜头螺丝机器视觉——工业镜头基础知识整理|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

机器视觉——工业镜头基础知识整理

01.为什么需要镜头？

镜头等同于小孔成像中小孔的作用。不同的是，一方面镜头的透光孔径比小孔大很多倍，能在同等时间内接纳更多的光线，使相机能在很短时间内（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小孔成像效果更为清晰的影像。

Ⅰ.镜头的组成

机器视觉常用定焦镜头，并且都是手动调整光圈，一般不允许自动调整光圈，镜头上有调焦环和调光圈环两个环，为了防止误碰动，工业镜头的两个环都有锁定螺丝。

注意调焦环不是用来调整焦距，而是调整像距，保证清晰图像落在焦平面上

Ⅱ.工业镜头的接口

物镜的接口有三种国际标准：

F接口C接口CS接口

F接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头，当物镜的焦距小于25mm时，物镜的尺寸不大，一般采用C型或CS型接口

C跟CS的区别：

C与CS型接口的区别在于镜头与相机接触面（基准面）至相机焦平面（摄像机CCD光电感应器所处位置）的距离，即法兰距不同，C型接口法兰距为17,562mm，CS型接口法兰距为12.5mm

C型接口镜头与CS型相机之间增加一个5mm的C/CS转接环可以配合使用，CS型接口与C型接口相机无法配合使用。

Ⅲ.工业镜头的基本参数

视场： Field of View，即FOW，也叫视野范围，指可以观测到的物体的可视范围。

工作距离： Working Distance，指从镜头前部到受检物体表面的距离，在该距离下镜头可以清晰成像。

分辨率： Resolution，指镜头可清晰分辨被拍摄物体细节的能力，在像平面1mm内可以分辨开的黑白相间的线条对数，分辨率的单位是“线对/毫米”（lp/mm）。一般说的百万像素级的镜头,分辨率为100对/mm。

景深： Depth of View，在景物空间中，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，也就是在实际像平面上获得相对清晰影像的景物精简深度范围。

焦距： Focal Length，焦距是从镜头的中心点到焦平面上所形成的清晰影像之间的距离，焦距数值小，视角大，所观察到的范围也大，但距离远的物体成像不是很清晰，焦距数值大，视角小，观察范围小，但距离较远的物体也可以清晰成像，有定焦和变焦两种镜头型号。常见的工业镜头焦距有：5mm、8mm、12mm、25mm、35mm、50mm、75mm等。一般来讲，焦距越小，价格越贵。

光圈： Iris，是一个用来控制光线透过镜头进入机身内感光面光量的装置，在拍摄高速运动物体时候，由于曝光时间短，需要使用大光圈。光圈大小一般用F表示，以镜头焦距f和通光孔径直径D的比值来衡量，当光圈物理孔径不变时，镜头中心与感光器件距离越远，F值越大，光圈越小；反之，F值越小，光圈越大。一般通过调整通光孔径大小来调节光圈，完整的光圈数值系列如下：F1，F1.4，F2，F2.8，F4，F5.6，F8，F11，F16，F22，F32，F44，F64。

光圈F数值每升高一个等级，意味着通光孔径的面积即进光量降低一半。

Ⅳ.最大兼容尺寸

所有镜头都只能在一定的范围内清晰成像，最大兼容CCD尺寸是指镜头能支持的最大清晰成像的范围。在实践选择相机和镜头时，要注意所选择的镜头的最大兼容CCD尺寸要大于或等于相机芯片的尺寸。

CCD芯片尺寸的大小如下图所示：

Ⅴ.畸变镜头

镜头在成像时，图像会产生形变，这种情况叫做镜头的畸变。

镜头畸变是由于镜头的光学结构和成像特性导致的，一般有桶型畸变和枕型畸变两种。视野中局部放大倍数不一致会造成图像扭曲。拍摄的视场越大，所用的镜头的焦距越短，畸变的程度就越明显，可以通过图像标定减弱这种平面畸变。

Ⅵ.镜头的选择

1.根据视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离进行选择时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头，以有利于运动控制。

2.对于对景深有要求的项目，尽可能使用小的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下，尽可能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选择高景深的尖端镜头。

3.芯片大小和相机接口：例如2/3”镜头支持最大的工业相机耙面为2/3”,它是不能支持1英寸以上的工业相机。

4.注意与光源的配合，选配合适的镜头。

02.摄影相关

快门： 快门是相机里控制曝光时间的装置，曝光时间就是快门从打开到关闭的时间。曝光时间长，进光量多，适合光线条件差的情况，曝光时间短，适合光线比较好的情况。

ISO： 感光度，是相机对光线的敏感程度，同样光线条件下，ISO值越高，所需的曝光时间越短。高ISO拍照速度快，但是噪声也随之增大；低ISO拍照画质质量高，但是需要的曝光时间增加，画面容易糊

为了保证画质，在拍摄时应尽量使用低的ISO，通过调整光圈和快门速度（曝光时间）来控制曝光。

一支拍星空同样出彩的变焦头适马14-24mm F28 DG DN Art

　　一说到拍星空，作为星空摄影师的我们一般都会掏出大光圈定焦镜头。想要拍超广角的星空，我有14mm F1.4 DG DN | Art。但是，不得不说素质极好的14mm F1.4唯有的缺点就是略重，价格略高。有些小伙伴可能要问了，那更具性价比的20mm F1.4 DG DN Art和24mm F1.4 DG DN | Art怎么选呢？

　　其实我也挺难选的，但是近期我收到了一支“我全都要”的变焦镜头——14-24mm F2.8 DG DN | Art，让我非常好奇它能不能胜任我拍星空的工作。

　　一看天气预报，正好有两晚的大晴天。带上它说走就走，我和夫人来到了海南三亚附近的海边进行拍摄。

　　拿出14-24mm F2.8 DG DN | Art镜头装在索尼A7M4上。这支镜头为了尽可能获得充足的光线，肯定少不了大型非球面镜片和一体式遮光罩，也就是俗称“灯泡”头。但是整体体积和只有795g重量确实比我预想中的要小巧一些。镜身侧面手动对焦与自动对焦的转换按钮，拨动时有黑白两色的标识，在光线较弱的环境中也能较快辨认；新增的AFL按钮可以通过机身自定义功能设置成自己惯用的快捷键，让实战操作更加便利。

　　镜头卡口部件为黄铜材质，周围有橡胶密封圈，能与机身卡口无缝贴合，有防尘防滴溅作用。镜头后端用了4颗螺丝固定卡口，很好的保证了镜头连接的稳定性和耐用性。变焦环和对焦环都采用了软橡胶材质防滑和手感都不错，转动时的阻尼也是顺滑细腻。

　　今天的月落时间为凌晨3点18分，月明星稀对星空拍摄很不友好，所以我们打算等到月落后再开拍。在等待的时间里，拍摄一段海边月落的延时也是很美的。于是我就架起了三脚架，设置好相机每间隔5秒拍摄一张，开始延时拍摄。

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　　这支镜头采用适马最新的镀膜技术，能有效减少耀斑、眩光和鬼影。在视频中我们发现，即使对着月亮拍摄也完全没有任何的眩光和鬼影。

焦距:14mm　光圈:f/2.8　 ISO感光度:3200曝光时间:30/1s　曝光补偿:0EV　白平衡:自动

　　终于等到了月落星明，猎户座正缓缓沉入海平面。此时南十字与船底座正高，我与夫人赶紧趁着这个时刻进行了星空创作。

焦距:19mm　光圈:f/2.8　 ISO感光度:3200曝光时间:20/1s　曝光补偿:0EV　白平衡:自动

　　我本来担心这支镜头最大光圈才F2.8会不够用，但是拍出来的那一刻，是我多虑了。在四级夜空暗度的环境，甚至还可能会过曝。

焦距:14mm　光圈:f/2.8　 ISO感光度:3200曝光时间:30/1s　曝光补偿:0EV　白平衡:自动

　　拍了几张星野照片后，我开始使用14mm进行星空人像的拍摄。14mm超广角这个焦段能够尽可能地容纳星空与地景，展现场景的壮阔。

焦距:24mm　光圈:f/2.8　 ISO感光度:3200曝光时间:30/1s　曝光补偿:0EV　白平衡:自动

　　随后我把焦段从14mm旋转至24mm，重新对焦后继续进行拍摄。24mm焦段下的星空细节更丰富，可以清晰地看到我们身后的南门二、马腹一、南十字、船底座大星云。这支镜头在14mm焦段下和24mm焦段下的慧差都还可以接受，并没有飞得很离谱。

焦距:24mm　光圈:f/2.8　 ISO感光度:2500曝光时间:15/1s　曝光补偿:0EV　白平衡:自动

　　当猎户座西沉消失于三亚的海平面时，东南方的天蝎座已经开始崭露头角。我让夫人站在礁石群中与初升的天蝎座合影。虽然三亚市所在的东方光污染十分严重，但通透的天气下仍然能看到天蝎座这个“大钩子”。

焦距:17mm　光圈:f/2.8　 ISO感光度:2500曝光时间:15/1s　曝光补偿:0EV　白平衡:自动

　　天文晨光时，天蝎座距离地平线已约有20°，此时夏季银河的银心已经可以隐约看到。我们在海边礁石上与闪耀的启明星——金星及天蝎座合影，感慨又是一年斗转星移，冬去春又临。

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　　我将相机架在礁石上，使用14mm焦段拍摄夜转日的延时视频。斗转星移，天色渐亮，东方出现了鱼肚白，天上的繁星也缓缓地隐去，唯独夜空中最亮的启明星金星一直到朝霞渲染了天色才消失。终于，太阳从地平线远处升起，又是一个崭新的白昼。

　　体验小结：

　　通过对这支14-24mm F2.8 DG DN | Art的实测，我认为这个镜头同样是一个拍星空的利器。如果你正在纠结14mm/20mm/24mm这三个焦段的定焦，那完全可以考虑选择这支变焦：虽然没有F1.4、F1.8的大光圈，但是完全可以胜任星空的拍摄。从超广角到广角，不管是星空摄影师、风光摄影师还是人像摄影师，它都是非常值得入手的一支镜头。

　　好的镜头是创作好作品的利器，希望大家都能有一个趁手的好镜头，拍出自己心中满意的作品。