視覺系統(tǒng)鏡頭介紹及選型方法

1.鏡頭介紹

鏡頭作為機器的眼睛，其主要作用是將目標(biāo)物體的圖像聚焦在圖像傳感器（相機）的光敏器件上。數(shù)據(jù)系統(tǒng)所處理的所有圖像信息均需要通過鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響到視覺系統(tǒng)的整體性能。

（1）工作距離（Working Distance）

工作距離指的是鏡頭的最下端到景物之間的距離。一般的鏡頭是可以看到無限遠的，也就是說是沒有上限的。

我們需要注意的是“最小工作距離”在鏡頭上有兩個有刻度的調(diào)節(jié)圈，一個是調(diào)節(jié)光圈的，另一個是調(diào)焦的，在調(diào)焦的刻度圈上標(biāo)有此鏡頭的工作距離從最近到最遠是多少。

（2）視場（Field of view, 即FOV，也叫視野范圍）

視野指的是鏡頭能看到的最大范圍，也就是鏡頭所能覆蓋的有效工作區(qū)域。

（3）景深(Depth of view，即DOF)

景深與視野相似，不同的是景深指的是縱深的范圍，視野指的是橫向的范圍。在最小工作距離到最大工作距離之間的范圍稱為景深，景深內(nèi)的物體都可以清晰成像。景深一般可以通過光圈調(diào)節(jié)，光圈越小，景深越大。

可成清晰像的最遠的物平面稱為遠景平面，它與對準平面的距離成為后景深△L1；能成清晰像的最近物平面稱為近景平面，它與對準平面的距離稱為前景深△L2；景深=前景深+后景深，景深計算公式為：

前景深ΔL1=FδL^2/（f^2+FδL）（1）

后景深ΔL2=FδL^2/（f^2-FδL）（2）

景深ΔL=ΔL1+ΔL2=（2f^2FδL^2）/（f^4-F^2δ^2L^2）

（由于第一次寫博客，還不太會編輯公式，L^2就是L的平方的意思）

δ——容許彌散圓直徑，f——鏡頭焦距，F(xiàn)——鏡頭的拍攝光圈值，L——對焦距離

ΔL1——前景深，ΔL2——后景深，ΔL——景深

從公式(1)和(2)可以看出，后景深 > 前景深。

由景深計算公式可以看出，景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及對像質(zhì)的要求(表現(xiàn)為對容許彌散圓的大小)有關(guān)。這些主要因素對景深的影響如下(假定其他的條件都不改變)

(1)、鏡頭光圈：

光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

(2)、鏡頭焦距

鏡頭焦距越長，景深越??；焦距越短，景深越大；

(3)、拍攝距離

距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。

總結(jié)：對于對景深有要求的項目，盡可能使用小的光圈；在選擇放大倍率的鏡頭時，在項目許可下盡可能選用低倍率鏡頭。如果項目要求比較苛刻時，傾向選擇高景深的尖端鏡頭。

網(wǎng)上有些在線的景深計算器，有興趣的網(wǎng)友可以自行搜索查詢計算，以下是兩個景深的計算實例：

(1)、200/2.8對焦在5m時，f/2.8的景深：

δ=0.035mm，f=200mm， F=2.8，L=5000mm

計算得：ΔL1=60mm，ΔL2=62mm，ΔL=122mm

結(jié)論：該鏡頭在用f/2.8拍攝時，清晰范圍是從4.94m~5.062m，景深很淺。

(2)、200/2.8+2X=400/5.6對焦在5m時，f/5.6的景深：

δ=0.035mm，f=400mm，F(xiàn)=5.6，L=5000mm

ΔL1=30mm，ΔL2=31mm，ΔL=61mm

結(jié)論：該鏡頭在配合2X增距鏡后，主鏡頭用f/2.8拍攝時，景深是(1)的一半。

（4）焦距（focal length）

要了解焦距首先要知道成像面，那成像面又是什么呢？成像面是入射光通過鏡頭后所成像的平面，這個面是一個圓形。

焦距就是鏡頭到成像面的距離，一般你問廠家鏡頭的時候，廠家一般都會問你需要焦距是多少的鏡頭，比如：50mm鏡頭，8mm鏡頭還是75mm鏡頭等。這些就是鏡頭到成像面的距離，也就是焦距。單位是毫米。但是在實際使用中，往往需要相機標(biāo)定，標(biāo)定的主要參數(shù)就是相機焦距。對于工業(yè)鏡頭而言，一般都是使用定焦鏡頭，也就是焦距f通常都是固定的。工業(yè)鏡頭，一般有光圈、對焦圈兩個轉(zhuǎn)環(huán)，我們使用對焦圈來改變透鏡的位置時，其改變的距離有一定的限制。但這并不意味這我們使用的是變焦鏡頭。

（5）視角（visual angle）

視角顧名思義就是視線的角度，也就是鏡頭能看多“寬”。焦距越小，視角越大；最小工作距離越短，視野越大。

對于普通的鏡頭來說，選擇原則是：工作距離越近越好，鏡頭的畸變越小越好，視野越大越好。

（6）分辨率（resolution ratio）

圖像系統(tǒng)可以測到的受檢驗物體上的最小可分辨特征尺寸。在多數(shù)情況下，視野越小，分辨率越好。

（7）光圈：（Iris）

光圈是一個用來控制光線透過鏡頭進入機身內(nèi)感光面光量的裝置，在拍攝高速運動物體時候，由于曝光時間短，需要使用大光圈。

光圈大小一般用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑直徑D的比值來衡量，當(dāng)光圈物理孔徑不變時，鏡頭中心與感光器件距離越遠，F(xiàn)值越大，光圈越小；反之，F(xiàn)值越小，光圈越大。

一般通過調(diào)整通光孔徑大小來調(diào)節(jié)光圈，完整的光圈數(shù)值系列如下：F1，F(xiàn)1.4，F(xiàn)2，F(xiàn)2.8，F(xiàn)4，F(xiàn)5.6，F(xiàn)8，F(xiàn)11，F(xiàn)16，F(xiàn)22，F(xiàn)32，F(xiàn)44，F(xiàn)64。

（8）鏡頭畸變

鏡頭在成像時，特別是用短焦距鏡頭拍攝大視場，圖像會產(chǎn)生形變，這種情況叫做鏡頭的畸變，這是由于鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)和成像特性導(dǎo)致的，原因是由于視野中局部放大倍數(shù)不一致造成的圖像扭曲。

拍攝的視場越大，所用的鏡頭的焦距越短，畸變的程度就越明顯，一般有桶型畸變和枕型畸變兩種，可以通過圖像標(biāo)定減弱這種平面畸變的影響。

（9）接口及最大兼容CCD尺寸

鏡頭接口只要可跟相機接口匹配安裝或可通過外加轉(zhuǎn)換口匹配安裝就可以了，其一般的接口是C口跟CS口，這兩者主要的區(qū)別是圖像傳感器與鏡頭之間的距離不同這兩者類型的接口沒有細分的，其C口的大小全都都一樣，；

所有鏡頭都只能在一定的范圍內(nèi)清晰成像，最大兼容CCD尺寸是指鏡頭能支持的最大清晰成像的范圍。在實踐選擇相機和鏡頭時，要注意所選擇的鏡頭的最大兼容CCD尺寸要大于或等于相機芯片的尺寸。

2.鏡頭選型方法（含相機）
已知：被檢測物體大小為A×B,要求精度小于C，工作距離為D
(1). 計算短邊對應(yīng)的像素數(shù)E=B/C，相機長邊和短邊的像素數(shù)都要大于E；

即相機最小分辨率為：E×E

這里并不能完全確定相機的傳感器尺寸，雖傳感器尺寸與視野等有一定關(guān)系，但沒有直接公式關(guān)系，因為鏡頭的選擇會依賴相機（分辨率、接口），后面可以根據(jù)鏡頭的選型反推這里相機是否正確。

這里可以暫定相機C接口，2/3英寸，得到相機傳感器短邊尺寸G

（2）可求得：
像元尺寸=傳感器尺寸/分辨率（像元個數(shù)）=G/E

放大倍率=所選相機傳感器短邊尺寸/相機短邊的視野范圍=G/B

由于相機確定，那么我們可以先確定需要的工業(yè)鏡頭是C接口，最少支持2/3"，
（3）焦距=（工作距離D×相機傳感器短邊尺寸G）/物體寬度B 單位：mm（焦距越小，視場角就越大，視野也就相應(yīng)的更大，因為焦距一般有固定的值，如5mm，8mm,所以實際焦距可以相應(yīng)選小一號的）

其實，由上圖關(guān)系得放大倍率還有另一種計算方法：

放大倍率=所選相機傳感器短邊尺寸/相機短邊的視野范圍=焦距/工作距離

那么，焦距=工作距離×放大倍數(shù)

考慮實際工作情況，更多采用的焦距計算公式為：焦距=工作距離×(1/放大倍數(shù)+1)=（工作距離*相機傳感器短邊尺寸）/（物體寬度+相機傳感器短邊尺寸）

驗證方法

因為視野范圍與精度是兩個矛盾的指標(biāo)，以上計算以精度為標(biāo)注進行選型（用的物體短邊B），可計算最終視野是否滿足長邊A：

長邊A

以上僅針對主要參數(shù)進行計算選擇，其他如畸變、景深、環(huán)境等，可根據(jù)實際要求進行選擇。

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審核編輯 黃宇