工業(yè)鏡頭的概念及分類

光學鏡頭一般稱為攝像鏡頭或攝影鏡頭，簡稱鏡頭，其功能就是光學成像。鏡頭是機器視覺系統(tǒng)中的重要組件，對成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用，它對成像質(zhì)量的幾個最主要指標都有影響，包括：分辨率、對比度、景深及各種像差。鏡頭不僅種類繁多，而且質(zhì)量差異也非常大，但一般用戶在進行系統(tǒng)設(shè)計時往往對鏡頭的選擇重視不夠，導(dǎo)致不能得到理想的圖像，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)失敗。本文的目的是通過對各種常見鏡頭的分類及主要參數(shù)介紹，總結(jié)各種因素之間的相互關(guān)系，使讀者掌握機器視覺系統(tǒng)中鏡頭的選用技巧。

根據(jù)有效像場的大小劃分

把攝影鏡頭安裝在一很大的伸縮暗箱前端，并在該暗箱后端安裝一塊很大的磨砂玻璃。當將鏡頭光圈開至最大，并對準無限遠景物調(diào)焦時，在磨砂玻璃上呈現(xiàn)出的影像均位于一圓形面積內(nèi)，而圓形外則漆黑，無影像。此有影像的圓形面積稱為該鏡頭的最大像場。在這個最大像場范圍的中心部位，有一能使無限遠處的景物結(jié)成清晰影像的區(qū)域，這個區(qū)域稱為清晰像場。照相機或攝影機的靶面一般都位于清晰像場之內(nèi)，這一限定范圍稱為有效像場。由于視覺系統(tǒng)中所用的攝像機的靶面尺寸有各種型號，所以在選擇鏡頭時一定要注意鏡頭的有效像場應(yīng)該大于或等于攝像機的靶面尺寸，否則成像的邊角部分會模糊甚至沒有影像。

根據(jù)有效像場的大小，一般可分為如下幾類：

根據(jù)焦距分類

根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦距鏡頭和變焦距鏡頭兩大類。依據(jù)焦距的長短，定焦距鏡頭又可分為魚眼鏡頭、短焦鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭四大類。需要注意的是焦距的長短劃分并不是以焦距的絕對值為首要標準，而是以像角的大小為主要區(qū)分依據(jù)，所以當靶面的大小不等時，其標準鏡頭的焦距大小也不同。變焦鏡頭上都有變焦環(huán)，調(diào)節(jié)該環(huán)可以使鏡頭的焦距值在預(yù)定范圍內(nèi)靈活改變。變焦距鏡頭最長焦距值和最短焦距值的比值稱為該鏡頭的變焦倍率。變焦鏡頭有可分為手動變焦和電動變焦兩大類。 變焦鏡頭由于具有可連續(xù)改變焦距值的特點，在需要經(jīng)常改變攝影視場的情況下非常方便使用，所以在攝影領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。但由于變焦距鏡頭的透鏡片數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以最大相對孔徑不能做得太大，致使圖像亮度較低、圖像質(zhì)量變差，同時在設(shè)計中也很難針對各種焦距、各種調(diào)焦距離做像差校正，所以其成像質(zhì)量無法和同檔次的定焦距鏡頭相比。

實際中常用的鏡頭的焦距是從4毫米到300毫米的范圍內(nèi)有很多的等級，如何選擇合適焦距的鏡頭是在機器視覺系統(tǒng)設(shè)計時要考慮的一個主要問題。光學鏡頭的成像規(guī)律可以根據(jù)兩個基本成像公式牛頓公式和高斯公式來推導(dǎo)，對于機器視覺系統(tǒng)的常見設(shè)計模型，我們一般是根據(jù)成像的放大率和物距這兩個條件來選擇合適焦距的鏡頭的，在此給出一組實用的計算公式：

根據(jù)鏡頭接口類型劃分

鏡頭和攝像機之間的接口有許多不同的類型，工業(yè)攝像機常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徠卡接口、M42接口、M50接口等。接口類型的不同和鏡頭性能及質(zhì)量并無直接關(guān)系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各種常用接口之間的轉(zhuǎn)接口。 C接口和CS接口是工業(yè)攝像機最常見的國際標準接口，為1英寸-32UN英制螺紋連接口，C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的，區(qū)別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。所以CS型接口的攝像機可以和C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用C口鏡頭時需要加一個5mm的接圈;C型接口的攝像機不能用CS口的鏡頭。 F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標準，所以又稱尼康口，也是工業(yè)攝像機中常用的類型，一般攝像機靶面大于1英寸時需用F口的鏡頭。 V接口鏡頭是著名的專業(yè)鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標準，一般也用于攝像機靶面較大或特殊用途的鏡頭。

特殊用途的鏡頭 顯微鏡頭(Micro)，一般是指成像比例大于10:1的拍攝系統(tǒng)所用，但由于現(xiàn)在的攝像機的像元尺寸已經(jīng)做到3微米以內(nèi)，所以一般成像比例大于2:1時也會選用顯微鏡頭。 微距鏡頭(Macro)，一般是指成像比例為2:1～1:4的范圍內(nèi)的特殊設(shè)計的鏡頭。在對圖像質(zhì)量要求不是很高的情況下，一般可采用在鏡頭和攝像機之間加近攝接圈的方式或在鏡頭前加近拍鏡的方式達到放大成像的效果。 遠心鏡頭(Telecentric)，主要是為糾正傳統(tǒng)鏡頭的視差而特殊設(shè)計的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內(nèi)，使得到的圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。

紫外鏡頭(Ultraviolet)和紅外鏡頭(Infrared)，一般鏡頭是針對可見光范圍內(nèi)的使用設(shè)計的，由于同一光學系統(tǒng)對不同波長的光線折射率的不同，導(dǎo)致同一點發(fā)出的不同波長的光成像時不能會聚成一點，產(chǎn)生色差。常用鏡頭的消色差設(shè)計也是針對可見光范圍的，紫外鏡頭和紅外鏡頭即是專門針對紫外線和紅外線進行設(shè)計的鏡頭。

審核編輯：湯梓紅