機(jī)器視覺鏡頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成像原理解析

為什么需要鏡頭？

肉眼結(jié)構(gòu)：

鏡頭相當(dāng)于充當(dāng)晶狀體這一環(huán)節(jié)，簡而言之，鏡頭主要的作用就是聚光。為什么要聚光？比如說在大晴天用放大鏡生火，你會發(fā)現(xiàn)陽光透過放大鏡聚集到一點(diǎn)上，也就是說，想通過一塊小面積的芯片去承載這么一片區(qū)域就不得不使用鏡頭聚焦。

鏡頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

焦距

焦距是從鏡頭的中心點(diǎn)到膠平面上所形成的清晰影像之間的距離。焦距的大小決定著視角的大小， 焦距數(shù)值小，視角大，所觀察的范圍也大；焦距數(shù)值大，視角小，觀察范圍小。根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類。

成像的條件：焦距 < 像距 < 2倍 焦距

光圈

光圈是一個用來控制光線透過鏡頭，進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面光量的裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。

景深

景深（DOF），在聚焦完成后，焦點(diǎn)前后的范圍內(nèi)所呈現(xiàn)的清晰圖像，這一前一后的距離范圍，便叫做景深。

光圈、鏡頭、及拍攝物的距離是影響景深的重要因素。

1、光圈越大（f值），景深越淺，光圈越?。╢值）景深越深。

2、焦距越長，景深越淺、反之景深越深。

3、主體越近，景深越淺，主體越遠(yuǎn)，景深越深?

曝光

是指在攝影過程中進(jìn)入鏡頭照射在感光元件上的光量，由光圈、快門、感光度的組合來控制。?

視場角

視場角在光學(xué)工程中又稱視場，視場角的大小決定了光學(xué)儀器的視野范圍。

一般視場角越大視野范圍越大，視場角越小視野范圍越小。

視場角大小因焦距而變化，焦距越近視場角越大，焦距越遠(yuǎn)視場角越小?

分辨率

分辨率代表鏡頭記錄物體細(xì)節(jié)的能力， 以每毫米里面能夠分辨黑白對線的數(shù)量為計量單位 ：“線對/ 毫米”（lp/mm）。分辨率越高的鏡頭成像越清晰?

數(shù)值孔徑

數(shù)值孔徑等于由物體與物鏡間媒質(zhì)的折射率 n 與物鏡孔徑角的一半（a2）的正弦值的乘積，計算公式為 N.A=n*sin a/2 。數(shù)值孔徑與其它光學(xué)參數(shù)有著密切的關(guān)系， 它與分辨率成正比， 與放大率成正比。也就是說數(shù)值孔徑，直接決定了鏡頭分辨率， 數(shù)值孔徑越大，分辨率越高，否則反之

后背焦

準(zhǔn)確來說， 后倍焦是相機(jī)的一個參數(shù)， 指相機(jī)接口平面到芯片的距離。但在線掃描鏡頭或者大面陣相機(jī)的鏡頭選型時， 后倍焦是一個非常重要的參數(shù)，因為它直接影響鏡頭的配置。不同廠家的相機(jī)，哪怕接口一樣也可能有不同的后倍焦

節(jié)圈的作用

加與不加節(jié)圈都不會影響相機(jī)的焦距，焦距本身是鏡頭固有的屬性。

相機(jī)接圈，可以增大焦平面到鏡頭的距離，使鏡頭拍攝物體的距離更近，相當(dāng)于微距攝影，成像更大。

畸變

一般來說，鏡頭畸變實(shí)際上是光學(xué)透鏡固有的透視失真的總稱，也就是因為透視原因造成的失真，這種失真對于照片的成像質(zhì)量是非常不利的，但因為這是透鏡的固有特性（凸透鏡匯聚光線、凹透鏡發(fā)散光線），所以無法消除，只能改善。

枕形畸變

枕形畸變（Pincushion Distortion），又稱枕形失真，它是由鏡頭引起的畫面向中間“收縮”的現(xiàn)象。我們在使用長焦鏡頭或使用變焦鏡頭的長焦端時，最容易察覺枕形失真現(xiàn)象。

桶形畸變?

桶形畸變（Barrel Distortion），又稱桶形失真，是由鏡頭中透鏡物理性能以及鏡片組結(jié)構(gòu)引起的成像畫面呈桶形膨脹狀的失真現(xiàn)象。我們在使用廣角鏡頭或使用變焦鏡頭的廣角端時，最容易察覺桶形失真現(xiàn)象。?

遠(yuǎn)心鏡頭

遠(yuǎn)心鏡頭（Telecentric），主要是為糾正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭視差而設(shè)計，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。遠(yuǎn)心鏡頭由于其特有的平行光路設(shè)計一直為對鏡頭畸變要求很高的機(jī)器視覺應(yīng)用場合所青睞

遠(yuǎn)心鏡頭光路的特點(diǎn)是，幾乎進(jìn)入到鏡頭的光都是強(qiáng)反射光。

非遠(yuǎn)心鏡頭成像效果：

遠(yuǎn)心鏡頭成像效果：

遠(yuǎn)心鏡頭主要彌補(bǔ)非遠(yuǎn)心鏡頭的以下特點(diǎn);

1）由于被測量物體不在同一個測量平面，而造成放大倍率的不同；

2）鏡頭畸變大

3）視差也就是當(dāng)物距變大時，對物體的放大倍數(shù)也改變；

4）鏡頭的解析度不高；

5）由于視覺光源的幾何特性，而造成的圖像邊緣位置的不確定性。?

遠(yuǎn)心和非遠(yuǎn)心各自的優(yōu)點(diǎn)：

普通鏡頭優(yōu)點(diǎn)：成本低，實(shí)用，用途廣。

普通鏡頭缺點(diǎn)：放大倍率會有變化，有視差。

普通鏡頭應(yīng)用：大物體成像。

遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)點(diǎn)：放大倍數(shù)恒定，不隨景深變化而變化，無視差。

遠(yuǎn)心鏡頭的缺點(diǎn)：成本高，尺寸大，重量重。

遠(yuǎn)心鏡頭的應(yīng)用：度量衡方面，基于CCD方面的測量，微晶學(xué)?

當(dāng)檢查物體遇到以下6中情況時，最好選用遠(yuǎn)心鏡頭：

1）當(dāng)需要檢測有厚度的物體時（厚度>1/10 FOV直徑）；

2）需要檢測不在同一平面的物體時；

3）當(dāng)不清楚物體到鏡頭的距離究竟是多少時；

4）當(dāng)需要檢測帶孔徑、三維的物體時；

5）當(dāng)需要低畸變、圖像效果亮度幾乎完全一致時；

6）當(dāng)缺陷只在同一方向平行照明下才能檢測到時。

編輯：黃飛

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