機器視覺檢測基礎(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)聊過了顏色，光源。完成視覺檢測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像，并投影到接收面的物體。此時，匯集光線的點稱為焦點，鏡頭中心到焦點的距離稱為焦點距離。

當(dāng)鏡頭為凸鏡時，焦點距離將根據(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，鏡頭幾個基本的參數(shù)包括焦距（長焦，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)注以下幾個參數(shù)：

1，WD（Work Distance，工作距離）

WD表示焦點對準(zhǔn)拍攝對象時，鏡頭頂端到拍攝對象的距離。也稱為作動距離。當(dāng)為 CCD 時，比例公式工作距離：視野＝焦點距離：CCD 尺寸成立。

2，焦點距離（焦距）

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

WD 和視野的大小由鏡頭的焦點距離和 CCD 的尺寸來決定。例如：焦點距離為 16 mm 鏡頭，CCD 尺寸 3.6 mm 時，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。一般來說，拍攝對象和鏡頭的工作距離越長，則視野越廣（視野角）。另外，視野的廣度由鏡頭的焦點距離來決定。相對于視野，使用鏡頭可以拍攝的范圍的角度，我們稱為視角或者視野角。鏡頭的焦點距離越短，則視角越大，視野也就越廣。相反，焦點距離越長，則可以放大遠(yuǎn)處的拍攝對象。

4，景深

景深是指使人感覺鏡頭對焦的深度范圍（拍攝物體側(cè)的距離）。范圍較大時，稱為「景深深」，相反范圍較小時稱為「景深淺」。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膩碚f，對焦位置只有一個，只不過肉眼在一定的范圍內(nèi)感覺圖像能夠清晰成像，我們將此范圍稱為景深。

如下圖所示，我們在拍攝斜面上粘貼表示高度的膠帶的這個對象時，針對調(diào)大光圈的情況和調(diào)小光圈的情況進(jìn)行比較。

最終的景深需要實測才能知道。因為除了鏡頭本身的結(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)測量儀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，人們感覺 2 根線好像重疊在一起。這時候，需要更高分辨率的鏡頭。

6，鏡頭的倍率

所謂倍率，是指檢測對象的實際大小與通過光學(xué)測量儀器成像大小的比率。以往在通過顯微鏡的接眼部觀察時，我們使用光學(xué)倍率這一概念，但是近年來由于可以將觀測對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)確的來說，就是鏡頭的焦點距離除以鏡頭直徑（口徑）得到的值。F 值的「F」來源于 focal （焦點的）這個詞。

事實上，鏡頭并不會讓所有光線都透過，其中的一部分會反射。而且，為了減少像差使用多個鏡頭時，透過的光量會變少。

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

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

8，歪曲像差（失真）

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

三，遠(yuǎn)心鏡頭

大家都有這種印象，一個物體在人眼看來，會有近大遠(yuǎn)小的現(xiàn)象。這是因為物體近的時候，在視網(wǎng)膜上投影大，小的時候，投影小。鏡頭也是一樣，因為近大遠(yuǎn)小的原因，會產(chǎn)生誤差。特別是在做尺寸測量的時候，就尤其關(guān)鍵。

為了解決這個問題，就產(chǎn)生了遠(yuǎn)心鏡頭。簡單講就是不會因為WD工作距離的遠(yuǎn)近而在投影端產(chǎn)生大小變化的的鏡頭。

對于有厚度測產(chǎn)品，也會照出截面的效果。

遠(yuǎn)心鏡頭主要應(yīng)用于精密測量。在精密光學(xué)測量系統(tǒng)中，由于普通光學(xué)鏡頭會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題，進(jìn)而影響測量的精度。而遠(yuǎn)心鏡頭（Telecentric鏡頭）能有效降低甚至消除上述問題，因此Telecentric鏡頭已經(jīng)成為精密光學(xué)量測系統(tǒng)決定性的組件，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。

遠(yuǎn)心鏡頭和普通鏡頭的簡單對比如下：