機(jī)器視覺工業(yè)鏡頭的相關(guān)專業(yè)術(shù)語介紹

機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭相當(dāng)于人的眼睛，其主要作用是將目標(biāo)的光學(xué)圖像聚焦在圖像傳感器（相機(jī)）的光敏面陣上。視覺系統(tǒng)處理的所有圖像信息均通過鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響到視覺系統(tǒng)的整體性能。下面對機(jī)器視覺工業(yè)鏡頭的相關(guān)專業(yè)術(shù)語做以詳解。

一、遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)：

指主光線平行于鏡頭光學(xué)軸的光學(xué)系統(tǒng)。而光從物體朝向鏡頭發(fā)出，與光學(xué)軸保持平行，甚至在軸外同樣如此，則稱為物體側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。光從鏡頭朝向影像，與與光學(xué)軸保持平行，甚至在軸外同樣如此，則稱為影像側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。

二、遠(yuǎn)心鏡頭：

遠(yuǎn)心鏡頭指主光線與鏡頭光源平行的鏡頭。有物體側(cè)的遠(yuǎn)心，成像側(cè)的遠(yuǎn)心，兩側(cè)的遠(yuǎn)心行頭等方式。

通常的鏡頭

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主光線與鏡頭光軸有角度，因此工件上下移動時，像的大小有變化。

兩方遠(yuǎn)心境頭

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主物方，像方均為主光線與光軸平行
光圈可變，可以得到高的景深，比物方遠(yuǎn)心境頭更能得到穩(wěn)定的像
最適合于測量用圖像處理光學(xué)系統(tǒng)，但是大型化成本高

物方遠(yuǎn)心境頭

只是物方主光線與鏡頭主軸平行
工件上下變化，圖像的大小基本不會變化
使用同軸落射照明時的必要條件，小型化亦可對應(yīng)

像方遠(yuǎn)心境頭

只是像方主光線與鏡頭光軸平行
相機(jī)側(cè)即使有安裝個體差，也可以吸收攝影倍率的變化
用于色偏移補(bǔ)償，攝像機(jī)本應(yīng)都采用這種鏡頭

三、遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的特色：

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優(yōu)點：更小的尺寸。減少鏡頭數(shù)量，可降低成本。

缺點：上下移動物體表面時，會改變物體尺寸或位置。

優(yōu)點：上下移動物體表面時，不會改變物體尺寸或位置。使用同軸照明時?？墒褂酶〉某叽?。

缺點：未使用同軸照明時，大于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的尺寸。

優(yōu)點：與MML相似，但鏡頭凸緣后端的尺寸出現(xiàn)極大差異時，會改善精確度。

缺點：與MML相似，但成本比MML更高。

四、遠(yuǎn)心：

Telecentricity是指物體的倍率誤差。倍率誤差越小，Telecentricity越高。Telecentricity有各種不同的用途，在鏡頭使用前，把握Telecentricity很重要。遠(yuǎn)心鏡頭的主光線與鏡頭的光軸平行，Telecentricity不好，遠(yuǎn)心鏡頭的使用效果就不好；Telecentricity可以用下圖進(jìn)行簡單的確認(rèn)。

五、分辨率（μm）：

光學(xué)系能力的尺度，表示黑白格狀圖案通過鏡頭觀察時，1mm中可以分辨觀察到黑白條紋的最多對數(shù)。分辨率為兩點間在無法識別前，能靠近的最近距離測量值，例如1μm的分辨率代表兩點間在無法識別前，能靠近的最近距離為1μm。以下為根據(jù)鏡頭的無相差光衍射情況計算理論分辨率的公式。

六、分辨力(Lines／mm)：

分辯力指黑白網(wǎng)線圖鏡頭里影像內(nèi)1mm面積，可識別的黑白兩色條紋數(shù)。分辨力的單位為線條/mm，例如100線條/mm代表可識別黑白間距1/100mm(10μm)。黑白線條的寬度為1/200mm(5μm)。

七、水平TV分辨率（TV線條）：

寬度里的黑白水平線總條數(shù)，相當(dāng)于電視機(jī)屏幕垂直高度的高度值。屏幕的垂直與水平長度比率通常為3:4，因此水平寬度里的總條數(shù)為3/4。電視機(jī)水平分辨率為240TV條線，電視機(jī)屏幕水平寬度的總條數(shù)為320條線。測量鏡頭的分辨率時，一組黑色與白色線條應(yīng)視為一條線，但是在電視機(jī)分辨率線條方面，一組視為2TV線條。

八、失真（%）：

失真為光學(xué)軸外的直型物體，呈現(xiàn)曲線時的鏡頭像差。鏡頭失真也稱為鏡頭畸變，即光學(xué)透鏡固有的透視失真的總稱，可分為枕形失真和桶形失真，直線朝向中心的失真情況為枕形失真(Pincushion Distortion），向外擴(kuò)張的失真稱為桶形失真(Barrel Distortion)。如下圖示：

九、TV失真（%）：

TV屏幕上的影像失真。數(shù)值越接近零，牲能越高。

十、電視失真：

實際邊長的歪曲形狀與理想的形狀的百分比算出的值。

十一、孔徑效率邊際光量（%）：

孔徑效率為使用鏡頭拍攝均勻亮度的物體時，成像盤光學(xué)軸與四周區(qū)域之間的亮度差異，單位為百分比（%），假設(shè)中央亮度為100，為鏡頭的光學(xué)特征之一。

十二、遮蔽（%）：

遮蔽為使用鏡頭與CCD-TV鏡頭拍攝均勻亮度的物體時，電視機(jī)屏幕中央與邊緣之間的亮度差異，單位為百分比（%）。通常使用受光組件與CCD組件的功率比計算此百分比。遮蔽意指鏡頭與TV鏡頭的整體表現(xiàn)，可使用遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)以縮小遮蔽的情況。

十三、色差：

在鏡頭光學(xué)統(tǒng)中，形成影像的位置與影像放大倍率隨光線波長的不同而不同。不同波長的光線有不同的顏色，這叫做色彩失真。光學(xué)軸上的失真叫做色彩失真。放大倍率的差異則叫做放大倍率色彩失真。

十四、工作距離（WD）（mm）：

工作距離指鏡頭第一個工作面到被測物體的距離。

十五、物像間距離O/I（Object to Imager）

　OI指物體到結(jié)像平面的距離。

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十六、焦距f（mm）后焦距/前焦距

焦距為光學(xué)系統(tǒng)的主光點到焦點的距離。從最后一片鏡頭的頂點到后焦點的距離，為后焦距。從第一片鏡頭的頂點到前焦點的距離，為前焦距。

十七、景深：

深度為與物體從最佳焦點前后移動時．出現(xiàn)最銳利焦點的最近點與最遠(yuǎn)點之間的距離。物體側(cè)的深度范圍稱為景深。同樣，照相機(jī)側(cè)的范圍稱為焦點深度。具體的景深的值多少略有不同。景深（Depth of Field）可以用以下的計算式計算出來：

景深 = 2 x Permissible COC x 實效F / 光學(xué)倍率2 = 允許誤差值 / (NA x 光學(xué)倍率)(使用的是0.04mm的Permissible COC)

通過鏡頭的影像理論土?xí)纬牲c狀。清晰影像上出現(xiàn)可接受的摸糊情況，稱為可接受的彌散圓。

十八、焦深：

深度為當(dāng)CCD從最佳焦點前后移動時，出現(xiàn)最銳利焦點的最近點與最遠(yuǎn)點之間的距離。影像側(cè)的深度范圍稱為焦深。

十九、后截距（mm）：

從鏡頭安裝座盤前端到影像的距離。

二十、C安裝座規(guī)格：

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二十一、數(shù)值孔徑 NA，NA'：

當(dāng)物體在入射光孔上產(chǎn)生的半角為u，且折射率為n，n x sinu為物體側(cè)數(shù)值孔經(jīng)（NA）。
　　當(dāng)物體在出射光孔上產(chǎn)生的半角為u'，且折射率為n'，n' x sinu' 為影像側(cè)數(shù)值孔徑{NA'）。

NA=n x sinu　　　　　　NA'=n' x sin u'

NA越高，鏡頭的分辨率與亮度越佳。如下圖所示 入射角度 u, 物體側(cè)折射率n, 成像側(cè)的折射率' n'：NA = NA' x 放大率

對于Macro鏡頭，NA =M/2 xF　NA' = 1/2 xF　NA=NA' x光學(xué)倍率　NA'=NA x光學(xué)倍率

二十二、F值F No：

此值指鏡頭的亮度。將鏡頭對焦距離除以物體側(cè)的有效直徑（入射光孔直徑Dmm)，即可得到此數(shù)值，也可使用NA與鏡頭的光學(xué)放大倍率(β)計算。數(shù)值越小，鏡頭越明亮。
F No=焦距/入射孔徑或有効口徑=f／D

二十三、有效F No：

此值為具體在有限距離內(nèi)的鏡頭亮度，指實際操作時的亮度。光學(xué)放大倍率越高(β)，鏡頭越暗。
實效F = (1 +光學(xué)倍率) x F#，實效F = 光學(xué)倍率 / 2NA

二十四、光學(xué)放大倍率β：

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二十、C安裝座規(guī)格：

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二十一、數(shù)值孔徑 NA，NA'：

當(dāng)物體在入射光孔上產(chǎn)生的半角為u，且折射率為n，n x sinu為物體側(cè)數(shù)值孔經(jīng)（NA）。
　　當(dāng)物體在出射光孔上產(chǎn)生的半角為u'，且折射率為n'，n' x sinu' 為影像側(cè)數(shù)值孔徑{NA'）。

NA=n x sinu　　　　　　NA'=n' x sin u'

NA越高，鏡頭的分辨率與亮度越佳。如下圖所示 入射角度 u, 物體側(cè)折射率n, 成像側(cè)的折射率' n'：NA = NA' x 放大率

對于Macro鏡頭，NA =M/2 xF　NA' = 1/2 xF　NA=NA' x光學(xué)倍率　NA'=NA x光學(xué)倍率

二十二、F值F No：

此值指鏡頭的亮度。將鏡頭對焦距離除以物體側(cè)的有效直徑（入射光孔直徑Dmm)，即可得到此數(shù)值，也可使用NA與鏡頭的光學(xué)放大倍率(β)計算。數(shù)值越小，鏡頭越明亮。
F No=焦距/入射孔徑或有効口徑=f／D

二十三、有效F No：

此值為具體在有限距離內(nèi)的鏡頭亮度，指實際操作時的亮度。光學(xué)放大倍率越高(β)，鏡頭越暗。
實效F = (1 +光學(xué)倍率) x F#，實效F = 光學(xué)倍率 / 2NA

二十四、光學(xué)放大倍率β：

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二十五、光學(xué)倍率：

放大倍率（Magnification）指的是通過鏡頭的調(diào)整能夠改變拍攝對象原本成像面積的大小。光學(xué)倍率就是通過光學(xué)鏡頭變倍的放大倍率。主要點與成像的關(guān)系：放大率是指成像大小與物體的比。

二十六、電子放大倍率：

電子放大倍率為影像在顯示器屏幕上顯示時與在CCD上顯示相比的放大倍率。

二十七、顯示器放大倍率：

顯示器放大倍率為通過鏡頭在顯示器呈現(xiàn)物體的放大倍率。
　　　　顯示器放大倍率=(光學(xué)放大倍率β) x (電子放大倍率)
　　 (計算范例) 光學(xué)放大倍率=02x，CCD尺寸1/2"(對角線8mm)，顯示器1/4"：
　　　　 電子放大倍率=14 x25.4/8=44.45
　　　　 顯示器放大倍率=0.2x44.45=8.89(倍) (1英寸=25.44mm)

※有時根據(jù)TV監(jiān)視器的掃描狀態(tài)，以上的簡易計算將有一些變化。

二十八、視野(FOV)：

視野指使用照相機(jī)以后看到的物體側(cè)的范圍。
　　照相機(jī)有效區(qū)域的縱向長度（V）/光學(xué)倍率（M）＝視野（V）
　　照相機(jī)有效區(qū)域的橫向長度（H）/光學(xué)倍率（M）＝視野（H）
　　照相機(jī)有效區(qū)域的縱向長度（V）or（H）=照相機(jī)一個畫素的尺寸×有効畫素數(shù)（V）or（H）來計算。
　?。ㄓ嬎惴独?　　光學(xué)放大倍率=0.2x，CCD尺寸1／2"（長4.8mm，寬6.4mm}：
　　　　　　　　視野尺寸 長度=4.8／0.2=24(mm)
　　　　　　　　　　　寬度=6.4／0.2=32{mm)

二十九、解析度：

表示了所能見到了2點的間隔0.61x 使用波長(λ)/ NA=解析度(μ),以上的計算方法理論上可以計算出解析度，但不包括失真?！褂貌ㄩL為550nm

三十、解像力：

１mm中間可以看到黑白線的條數(shù)。單位（lp）/mm

三十一、MTF（Modulation Transfer Function）：

成像時再現(xiàn)物體表面的濃淡變化而使用的空間周波數(shù)和對比度。

三十二、成像圈：

成像尺寸φ，要輸入相機(jī)感應(yīng)器尺寸

三十三、照相機(jī) Mount：

C-mount: 1" diameter x 32 TPI: FB: 17.526mm，CS-mount: 1" diameter x 32 TPI: FB: 12.526mm，F(xiàn)-mount: FB:46.5mm，M72-Mount: FB 廠家各有不同。

三十四、邊緣亮度：

相對照度是指中央的照度與周邊的照度的百分比。

三十五、通風(fēng)盤及解析度：

Airy Disk（通風(fēng)盤）是指通過沒有失真的鏡頭在將光集中一點時，實際上形成的是一個同心圓。這個同心圓就叫做Airy Disk。Airy Disk的半徑r可以通過以下的計算公式計算出來。這個值稱為解析度。ｒ= 0.61λ/NA Airy Disk的半徑隨波長改變而改變，波長越長，光越難集中于一點。 例：NA0.07的鏡頭 波長550nm r=0.61*0.55/0.07=4.8μ

三十六、 MTF 及解析度：

MTF（Modulation Transfer Function) 是指物體表面的濃淡變化，成像側(cè)也被再現(xiàn)出來。表示鏡頭的成像性能，成像再現(xiàn)物體的對比度的程度。測試對比性能，用的是具有特定空間周波數(shù)的黑白間隔測試?？臻g周波數(shù)是指１mm的距離濃淡變化的程度。

圖1所示，黑白矩陣波，黑白的對比度為100%.這個對象被鏡頭攝影后，成像的對比度的變化被定量化?；旧?，不管什么鏡頭，都會出現(xiàn)對比度降低的情況。最終對比度降低至0%。，不能進(jìn)行顏色的區(qū)別。

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圖2、圖3顯示了物體側(cè)與成像側(cè)的空間周波數(shù)的變化。橫軸表示空間周波數(shù)，縱軸表示亮度。物體側(cè)與成像側(cè)的對比度由A、B計算出來。MTF由A,B的比率計算出來。

解析度與MTF的關(guān)系：解析度是指2點之間怎樣被分離認(rèn)識的間隔。一般從解析度的值可以判斷出鏡頭的好壞，但是實際是MTF與解析度有很大的關(guān)系。圖4顯示了兩個不同鏡頭的MTF曲線。鏡頭a 解析度低但是具有高對比度。鏡頭b對比度低但是解析度高。

三十七、微距鏡頭：

不用近接環(huán)或特寫鏡頭而實現(xiàn)擴(kuò)大攝影，為近接攝影而設(shè)計的鏡頭，有限遠(yuǎn)（=從物鏡出射的光，在一定距離處聚焦）

三十八、CCTV鏡頭：

適合于廣范圍的擴(kuò)大觀察，需要嚴(yán)格精度時不適合，無限遠(yuǎn)（=從物鏡出射的光，不聚焦，平行前進(jìn)）

三十九、變倍鏡頭：

焦距可變鏡頭，倍率，攝像范圍等可以簡單改變。適合于需要尋找最合適攝影條件（攝影距離，鏡頭的焦距）以便于操作的場合使用。不產(chǎn)生聚焦位置移動的稱為變倍鏡頭，產(chǎn)生焦距位置移動的稱為變焦鏡頭。

四十、成像圓：

光學(xué)系統(tǒng)中成像圓的尺寸，成像圓的尺寸=CCD對角尺寸，和CCD尺寸同樣意義。

四十一、后變倍鏡頭：

安裝在CCD前面，不改變工作距離，擴(kuò)大視野范圍。F值下降，分辨率、對比度下降，聚焦會有些不準(zhǔn)。

四十二、前變倍鏡頭：

安裝在鏡頭前面，工作距離會變化，亮度不變，擴(kuò)大視野范圍

審核編輯：黃飛

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