機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)基礎(chǔ)之鏡頭的概述和重要參數(shù)

導(dǎo)讀

截止到目前，我們已經(jīng)聊過(guò)了顏色，光源。完成視覺(jué)檢測(cè)的基本卻重要的部分，還有鏡頭。

今天我們就聊一下鏡頭的部分。

一，什么是鏡頭？

簡(jiǎn)單講鏡頭就是在其一端收集物體的光線，并將光線在另一端匯聚為實(shí)像，并投影到接收面的物體。此時(shí)，匯集光線的點(diǎn)稱(chēng)為焦點(diǎn)，鏡頭中心到焦點(diǎn)的距離稱(chēng)為焦點(diǎn)距離。

當(dāng)鏡頭為凸鏡時(shí)，焦點(diǎn)距離將根據(jù)鏡頭的厚度（膨脹）程度不同而各不相同，膨脹程度越大焦點(diǎn)距離越短。

二，鏡頭的重要參數(shù)

玩攝影的朋友都知道，鏡頭幾個(gè)基本的參數(shù)包括焦距（長(zhǎng)焦，廣角，變焦范圍），F(xiàn)值（表征透光率）等。

而工業(yè)用鏡頭與之相比，更關(guān)注以下幾個(gè)參數(shù)：

1，WD（Work Distance，工作距離）

WD表示焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)拍攝對(duì)象時(shí)，鏡頭頂端到拍攝對(duì)象的距離。也稱(chēng)為作動(dòng)距離。當(dāng)為 CCD 時(shí)，比例公式工作距離：視野＝焦點(diǎn)距離：CCD 尺寸成立。

2，焦點(diǎn)距離（焦距）

FA(Factory Automation) 鏡頭中有代表性的鏡頭為焦點(diǎn)距離為 8 mm /16 mm /25 mm /50mm等規(guī)格的鏡頭。根據(jù)想要拍攝的拍攝對(duì)象所需的視野和焦點(diǎn)距離，可以求出對(duì)焦位置＝WD（工作距離）。

WD 和視野的大小由鏡頭的焦點(diǎn)距離和 CCD 的尺寸來(lái)決定。例如：焦點(diǎn)距離為 16 mm 鏡頭，CCD 尺寸 3.6 mm 時(shí)，如果想把視野設(shè)為 45 mm，則 WD 變?yōu)?200 mm。

3，視野

視野指工作距離范圍中的拍攝范圍。一般來(lái)說(shuō)，拍攝對(duì)象和鏡頭的工作距離越長(zhǎng)，則視野越廣（視野角）。另外，視野的廣度由鏡頭的焦點(diǎn)距離來(lái)決定。相對(duì)于視野，使用鏡頭可以拍攝的范圍的角度，我們稱(chēng)為視角或者視野角。鏡頭的焦點(diǎn)距離越短，則視角越大，視野也就越廣。相反，焦點(diǎn)距離越長(zhǎng)，則可以放大遠(yuǎn)處的拍攝對(duì)象。

4，景深

景深是指使人感覺(jué)鏡頭對(duì)焦的深度范圍（拍攝物體側(cè)的距離）。范圍較大時(shí)，稱(chēng)為「景深深」，相反范圍較小時(shí)稱(chēng)為「景深淺」。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膩?lái)說(shuō)，對(duì)焦位置只有一個(gè)，只不過(guò)肉眼在一定的范圍內(nèi)感覺(jué)圖像能夠清晰成像，我們將此范圍稱(chēng)為景深。

如下圖所示，我們?cè)谂臄z斜面上粘貼表示高度的膠帶的這個(gè)對(duì)象時(shí)，針對(duì)調(diào)大光圈的情況和調(diào)小光圈的情況進(jìn)行比較。

最終的景深需要實(shí)測(cè)才能知道。因?yàn)槌绥R頭本身的結(jié)構(gòu)外，影響景深的因素還有很多：

1.鏡頭本身。

2.光圈越小，景深越大。

3.照明越亮，景深越大。（快門(mén)速度越慢，景深越大）

4.焦距越小，景深越大。

5.WD工作距離越大，景深越大。

6.CCD的單個(gè)像素直徑越大，景深越大。

5，鏡頭的分辨率

鏡頭的分辨率不光使用在圖像處理中，它是指所有光學(xué)測(cè)量?jī)x器中使用的鏡頭可以觀察的最小間隔。如分辨率為 10 μm 的鏡頭，可以清晰的觀察線寬為 10 μm、間距為 10 μm 并列條紋線。分辨率不足時(shí)，人們感覺(jué) 2 根線好像重疊在一起。這時(shí)候，需要更高分辨率的鏡頭。

6，鏡頭的倍率

所謂倍率，是指檢測(cè)對(duì)象的實(shí)際大小與通過(guò)光學(xué)測(cè)量?jī)x器成像大小的比率。以往在通過(guò)顯微鏡的接眼部觀察時(shí)，我們使用光學(xué)倍率這一概念，但是近年來(lái)由于可以將觀測(cè)對(duì)象物顯示在液晶顯示器上的系統(tǒng)不斷增多，顯示器倍率這一概念也已經(jīng)普及。

7，F(xiàn)值

F 值（或者光圈值）是指表示鏡頭的明亮度的基準(zhǔn)。準(zhǔn)確的來(lái)說(shuō)，就是鏡頭的焦點(diǎn)距離除以鏡頭直徑（口徑）得到的值。F 值的「F」來(lái)源于 focal （焦點(diǎn)的）這個(gè)詞。

事實(shí)上，鏡頭并不會(huì)讓所有光線都透過(guò)，其中的一部分會(huì)反射。而且，為了減少像差使用多個(gè)鏡頭時(shí)，透過(guò)的光量會(huì)變少。

因此，光的透過(guò)量較多，可以獲得明亮成像的鏡頭我們稱(chēng)為「亮」，相反光的透過(guò)量較鏡頭則稱(chēng)為「暗」。鏡頭的焦點(diǎn)距離和直徑的關(guān)系，是可以大大影響鏡頭明暗的要素之一，也即 F 值。這個(gè)值較小的鏡頭稱(chēng)為「亮鏡頭」，較大的鏡頭稱(chēng)為「暗鏡頭」。一般的小型相機(jī)都會(huì)在鏡頭旁刻上「F = 2.5」「1:2.5」的標(biāo)記，這就表示 F 值為 2.5。

在相機(jī)鏡頭的性能上，如果 F 值達(dá)到 2.0 左右，則表示這個(gè)相機(jī)的明亮等級(jí)非常高。

8，歪曲像差（失真）

歪曲像差（失真）表示通過(guò)鏡頭成像的圖像發(fā)生歪曲的狀態(tài)。事實(shí)上不存在形狀完美的鏡頭。因此，雖然從理論上來(lái)說(shuō)，直射光通過(guò)鏡頭后會(huì)沿著直線傳播，而實(shí)際上光通過(guò)鏡頭后會(huì)向外側(cè)或者內(nèi)側(cè)歪曲。前者稱(chēng)為「桶形失真」，后者稱(chēng)為「枕形失真」。一個(gè)鏡失真的參數(shù)以百分比表示。

三，遠(yuǎn)心鏡頭

大家都有這種印象，一個(gè)物體在人眼看來(lái)，會(huì)有近大遠(yuǎn)小的現(xiàn)象。這是因?yàn)槲矬w近的時(shí)候，在視網(wǎng)膜上投影大，小的時(shí)候，投影小。鏡頭也是一樣，因?yàn)榻筮h(yuǎn)小的原因，會(huì)產(chǎn)生誤差。特別是在做尺寸測(cè)量的時(shí)候，就尤其關(guān)鍵。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，就產(chǎn)生了遠(yuǎn)心鏡頭。簡(jiǎn)單講就是不會(huì)因?yàn)閃D工作距離的遠(yuǎn)近而在投影端產(chǎn)生大小變化的的鏡頭。

對(duì)于有厚度測(cè)產(chǎn)品，也會(huì)照出截面的效果。

遠(yuǎn)心鏡頭主要應(yīng)用于精密測(cè)量。在精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中，由于普通光學(xué)鏡頭會(huì)存在一定的制約因素，如影像的變形、視角選擇而造成的誤差、不適當(dāng)光源干擾下造成邊界的不確定性等問(wèn)題，進(jìn)而影響測(cè)量的精度。而遠(yuǎn)心鏡頭（Telecentric鏡頭）能有效降低甚至消除上述問(wèn)題，因此Telecentric鏡頭已經(jīng)成為精密光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)決定性的組件，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。

遠(yuǎn)心鏡頭和普通鏡頭的簡(jiǎn)單對(duì)比如下：