視覺(jué)系統(tǒng)鏡頭介紹及選型方法

1.鏡頭介紹

鏡頭作為機(jī)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(jī)）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(guò)鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響到視覺(jué)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(wú)限遠(yuǎn)的，也就是說(shuō)是沒(méi)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(gè)有刻度的調(diào)節(jié)圈，一個(gè)是調(diào)節(jié)光圈的，另一個(gè)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(yuǎn)是多少。

（2）視場(chǎng)（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(chēng)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(guò)光圈調(diào)節(jié)，光圈越小，景深越大。

可成清晰像的最遠(yuǎn)的物平面稱(chēng)為遠(yuǎn)景平面，它與對(duì)準(zhǔn)平面的距離成為后景深△L1；能成清晰像的最近物平面稱(chēng)為近景平面，它與對(duì)準(zhǔn)平面的距離稱(chēng)為前景深△L2；景深=前景深+后景深，景深計(jì)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(xiě)博客，還不太會(huì)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(duì)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(jì)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(duì)像質(zhì)的要求(表現(xiàn)為對(duì)容許彌散圓的大小)有關(guān)。這些主要因素對(duì)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?。还馊υ叫?，景深越大；

(2)、鏡頭焦距

鏡頭焦距越長(zhǎng)，景深越小；焦距越短，景深越大；

(3)、拍攝距離

距離越遠(yuǎn)，景深越大；距離越近，景深越小。

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

網(wǎng)上有些在線的景深計(jì)算器，有興趣的網(wǎng)友可以自行搜索查詢(xún)計(jì)算，以下是兩個(gè)景深的計(jì)算實(shí)例：

(1)、200/2.8對(duì)焦在5m時(shí)，f/2.8的景深：

δ=0.035mm，f=200mm， F=2.8，L=5000mm

計(jì)算得：ΔL1=60mm，ΔL2=62mm，ΔL=122mm

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

(2)、200/2.8+2X=400/5.6對(duì)焦在5m時(shí)，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(shí)，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(guò)鏡頭后所成像的平面，這個(gè)面是一個(gè)圓形。

焦距就是鏡頭到成像面的距離，一般你問(wèn)廠家鏡頭的時(shí)候，廠家一般都會(huì)問(wèn)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(shí)際使用中，往往需要相機(jī)標(biāo)定，標(biāo)定的主要參數(shù)就是相機(jī)焦距。對(duì)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(duì)焦圈兩個(gè)轉(zhuǎn)環(huán)，我們使用對(duì)焦圈來(lái)改變透鏡的位置時(shí)，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(duì)于普通的鏡頭來(lái)說(shuō)，選擇原則是：工作距離越近越好，鏡頭的畸變?cè)叫≡胶茫曇霸酱笤胶谩?/p>

（6）分辨率（resolution ratio）

圖像系統(tǒng)可以測(cè)到的受檢驗(yàn)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(gè)用來(lái)控制光線透過(guò)鏡頭進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面光量的裝置，在拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體時(shí)候，由于曝光時(shí)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(lái)衡量，當(dāng)光圈物理孔徑不變時(shí)，鏡頭中心與感光器件距離越遠(yuǎn)，F(xiàn)值越大，光圈越??；反之，F(xiàn)值越小，光圈越大。

一般通過(guò)調(diào)整通光孔徑大小來(lái)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(shí)，特別是用短焦距鏡頭拍攝大視場(chǎng)，圖像會(huì)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(chǎng)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(guò)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(jī)接口匹配安裝或可通過(guò)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(lèi)型的接口沒(méi)有細(xì)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(shí)踐選擇相機(jī)和鏡頭時(shí)，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(jī)芯片的尺寸。

2.鏡頭選型方法（含相機(jī)）
已知：被檢測(cè)物體大小為A×B,要求精度小于C，工作距離為D
(1). 計(jì)算短邊對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)E=B/C，相機(jī)長(zhǎng)邊和短邊的像素?cái)?shù)都要大于E；

即相機(jī)最小分辨率為：E×E

這里并不能完全確定相機(jī)的傳感器尺寸，雖傳感器尺寸與視野等有一定關(guān)系，但沒(méi)有直接公式關(guān)系，因?yàn)殓R頭的選擇會(huì)依賴(lài)相機(jī)（分辨率、接口），后面可以根據(jù)鏡頭的選型反推這里相機(jī)是否正確。

這里可以暫定相機(jī)C接口，2/3英寸，得到相機(jī)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(gè)數(shù)）=G/E

放大倍率=所選相機(jī)傳感器短邊尺寸/相機(jī)短邊的視野范圍=G/B

由于相機(jī)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(jī)傳感器短邊尺寸G）/物體寬度B 單位：mm（焦距越小，視場(chǎng)角就越大，視野也就相應(yīng)的更大，因?yàn)榻咕嘁话阌泄潭ǖ闹担?mm，8mm,所以實(shí)際焦距可以相應(yīng)選小一號(hào)的）

其實(shí)，由上圖關(guān)系得放大倍率還有另一種計(jì)算方法：

放大倍率=所選相機(jī)傳感器短邊尺寸/相機(jī)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(shí)際工作情況，更多采用的焦距計(jì)算公式為：焦距=工作距離×(1/放大倍數(shù)+1)=（工作距離*相機(jī)傳感器短邊尺寸）/（物體寬度+相機(jī)傳感器短邊尺寸）

驗(yàn)證方法

因?yàn)橐曇胺秶c精度是兩個(gè)矛盾的指標(biāo)，以上計(jì)算以精度為標(biāo)注進(jìn)行選型（用的物體短邊B），可計(jì)算最終視野是否滿(mǎn)足長(zhǎng)邊A：

長(zhǎng)邊A

以上僅針對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算選擇，其他如畸變、景深、環(huán)境等，可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行選擇。

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審核編輯 黃宇