1、鏡頭的選擇

工業(yè)相機(jī)鏡頭由多個(gè)透鏡、可變(亮度)光圈和對(duì)焦環(huán)組成。如下圖所示，在使用時(shí)由操作者觀察相機(jī)顯示屏來調(diào)整可變光圈和焦點(diǎn)，以確保圖像的明亮程度及清晰度(有些鏡頭有固定調(diào)節(jié)系統(tǒng))。

? （1）鏡頭的接口

鏡頭的接口尺寸是有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的，共有三種接口型式，即F型、C型、CS型，其他有M42、萊卡、哈蘇、AK。F型接口是通用型接口，一般適用于焦距大于25mm的鏡頭；而當(dāng)物鏡的焦距約小于25mm時(shí)，因物鏡的尺寸不大，便采用C型或CS型接口。 ? C接口和CS接口的區(qū)別： ①C與CS接口的區(qū)別在于鏡頭與攝像機(jī)接觸面至鏡頭焦平面（攝像機(jī) CCD光電感應(yīng)器應(yīng)處的位置）的距離不同，C型接口此距離為17.526mm，CS型接口此距離為12.5mm。 ② C型鏡頭與C型攝像機(jī)，CS型鏡頭與CS型攝像機(jī)可以配合使用。C型鏡頭與CS型攝像機(jī)之間增加一個(gè) 5mm的C/CS轉(zhuǎn)接環(huán)可以配合使用。CS型鏡頭與C型攝像機(jī)無法配合使用。

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? （2）工業(yè)鏡頭的基本參數(shù) 鏡頭選擇應(yīng)注意：①焦距? ②目標(biāo)高度 ③影像高度? ④放大倍數(shù)? ⑤影像至目標(biāo)的距離? ⑥中心點(diǎn)/節(jié)點(diǎn)? ⑦畸變。 ?

1、視場(chǎng)（Field of view，即FOV，也叫視野范圍） 視場(chǎng)（Field of view，即FOV，也叫視野范圍）：指觀測(cè)物體的可視范圍，也就是充滿相機(jī)采集芯片的物體部分。（視場(chǎng)范圍是選型中必須要了解的） ?

2、工作距離（Working Distance,即WD） 工作距離（Working Distance,即WD）：指從鏡頭前部到受檢驗(yàn)物體的距離。即清晰成像的表面距離（選型必須要了解的問題，工作距離是否可調(diào)？包括是否有安裝空間等）。 ?

3、分辨率 分辨率：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。（在實(shí)際選擇鏡頭時(shí)，鏡頭尺寸不能小于相機(jī)芯片尺寸，一定要要大于或等于相機(jī)芯片尺寸） 影響分辨率的主要因素：鏡頭結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工精度等。 其它因素：

鏡頭光圈越大，分辨率越高；

光波長(zhǎng)度，波長(zhǎng)越短分辨率越高；

同檔次的固定焦距鏡頭比變焦鏡頭分辨率高；

短焦鏡頭一般邊緣分辨率比中心低；長(zhǎng)焦鏡頭一般中心比邊緣分辨率低。 ?

4、景深（Depth of view，即DOF）

景深（Depth of view，即DOF）：物體離最佳焦點(diǎn)較近或較遠(yuǎn)時(shí)，鏡頭保持所需分辨率的能力（需要了解客戶對(duì)景深是否有特殊要求？） 景深和鏡頭的焦距、光圈、物距有關(guān)：

光圈越小，景深越大；

拍攝距離越大，景深越大；

焦距越短，景深越大。 ?

5、焦距（f）

焦距（f）：是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指從透鏡的光心到光聚集之焦點(diǎn)的距離。亦是照相機(jī)中，從鏡片中心到底片或CCD等成像平面的距離。（需要記住的重要公式） f = {工作距離/視野范圍長(zhǎng)邊（或短邊）}*CCD長(zhǎng)邊（或短） 焦距大小的影響情況：

焦距越小，景深越大；

焦距越小，畸變?cè)酱螅?/p>

焦距越小，漸暈現(xiàn)象越嚴(yán)重，使像差邊緣的照度降低。 ?

6、像差

像差是影響圖像質(zhì)量的重要方面，常見的像差有如下六種：球差、慧差、像散、場(chǎng)曲、畸變、色差。 ?

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? 7、光圈與F值

光圈是一個(gè)用來控制鏡頭通光量裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達(dá)光圈大小我們是用F值，如F1.4，F(xiàn)2，F(xiàn)2.8。 ?

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? 8、感光芯片尺寸
相機(jī)感光芯片的有效區(qū)域尺寸，一般指水平尺寸。這個(gè)參數(shù)對(duì)于決定合適的鏡頭縮放比例以獲取想要的視場(chǎng)非常重要。鏡頭主要縮放比例 (PMAG) 由感光芯片的尺寸和視場(chǎng)的比率來定義。雖然基本參數(shù)包括感光芯片的尺寸和視場(chǎng)，但PMAG卻不屬于基本參數(shù)。

? 9、光學(xué)放大倍數(shù) 用于計(jì)算主要縮放比例的公式如下： ? ? ? ?PMAG? ?=? CCD Size /? FOV ?

顯示放大倍數(shù)： 顯示放大倍率在顯微中應(yīng)用非常廣泛，被測(cè)物體的顯示放大倍率取決于三個(gè)因素：鏡頭光學(xué)倍率、工業(yè)相機(jī)感光芯片的尺寸（靶面大?。?、顯示器尺寸。 ? 顯示放大倍率=鏡頭光學(xué)倍率×顯示器尺寸×25.4/耙面對(duì)角線尺寸。 ?

? 光波長(zhǎng)度的影響： 在相同的工業(yè)相機(jī)及鏡頭參數(shù)條件下，照明光源的光波波長(zhǎng)越短，得到的圖像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置測(cè)量的視覺系統(tǒng)中，盡量采用短波長(zhǎng)的單色光作為照明光源，對(duì)提高系統(tǒng)精度有很大的作用。 ?

（3）鏡頭的分類 為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，鏡頭有多種類型，從不同的角度，就有不同的劃分方法：

按光學(xué)放大倍率及焦距劃分： a、顯微鏡：體視顯微鏡、生物顯微鏡、金相顯微鏡、測(cè)量顯微鏡等 b、常規(guī)鏡頭：魚眼鏡頭、廣角鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、長(zhǎng)焦鏡頭等

? 遠(yuǎn)心鏡頭特性

遠(yuǎn)心鏡頭（Telecentric lens），主要是為糾正傳統(tǒng)鏡頭的視差而特殊設(shè)計(jì)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(huì)隨物距的變化而變化，這對(duì)被測(cè)物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。此外，遠(yuǎn)心鏡頭(Telecentric lens)相比普通鏡頭，還具有低畸變，高景深，高分辨力等特性 。遠(yuǎn)心鏡頭由于其特有的平行光路設(shè)計(jì)一直為對(duì)鏡頭畸變要求很高的機(jī)器視覺應(yīng)用場(chǎng)合所青睞，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、機(jī)械零部件，科研、激光測(cè)徑，印鈔等相關(guān)行業(yè)，主要完成精密測(cè)量、定位等工作任務(wù)。

? 1.遠(yuǎn)心特性：非遠(yuǎn)心鏡頭下圖光學(xué)系統(tǒng)無法確保視場(chǎng)內(nèi)一致的放大率，于是總會(huì)造成測(cè)量精度的下降。

2.低畸變特性：大多數(shù)精確測(cè)量的場(chǎng)合需要對(duì)微小畸變進(jìn)行標(biāo)定，優(yōu)秀的遠(yuǎn)心鏡頭廠家采集精確的灰度圖像并進(jìn)行精確分析以測(cè)量畸變，使得遠(yuǎn)心鏡頭的畸變?nèi)绱宋⑿?，更真?shí)的還原圖像。

3.高景深和解析度：過小的景深會(huì)引起對(duì)比度的下降，結(jié)果會(huì)降低分辨力。遠(yuǎn)心鏡頭具有高的景深范圍和解析度，滿足各種不同的測(cè)試要求。 ?

遠(yuǎn)心鏡頭與普通鏡頭對(duì)比
遠(yuǎn)心工業(yè)鏡頭主要是為糾正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭的視差而特殊設(shè)計(jì)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(huì)隨物距的變化而變化，這對(duì)被測(cè)物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。 普通工業(yè)鏡頭目標(biāo)物體越靠近鏡頭（工作距離越短），所成的像就越大。在使用普通鏡頭進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)，會(huì)存在如下問題：

1）由于被測(cè)量物體不在同一個(gè)測(cè)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(shí)，對(duì)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。 而遠(yuǎn)心鏡頭就可以有效解決普通鏡頭存在的上述問題，而且沒有此性質(zhì)的判斷誤差，因此可用在高精度測(cè)量、度量計(jì)量等方面。遠(yuǎn)心鏡頭是一種高端的工業(yè)鏡頭，通常有比較出眾的像質(zhì)，特別適合于尺寸測(cè)量的應(yīng)用。 無論何處，在特定的工作距離，重新調(diào)焦后會(huì)有相同的放大倍率，因?yàn)檫h(yuǎn)心鏡頭的最大視場(chǎng)范圍直接與鏡頭的光欄接近程度有關(guān)，鏡頭尺寸越大，需要的現(xiàn)場(chǎng)就越大。遠(yuǎn)心測(cè)量鏡頭能提供優(yōu)越的影像質(zhì)素，畸變比傳統(tǒng)定焦鏡頭小，這種光學(xué)設(shè)計(jì)令影像面更對(duì)稱，可配合軟件進(jìn)行精密測(cè)量。

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(huì)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(cè)量，微晶學(xué)。

? 工業(yè)鏡頭的選擇要點(diǎn)： 對(duì)鏡頭的選擇，我們首先必須先確定客戶需求：

1、視野范圍、光學(xué)放大倍數(shù)及期望的工作距離：在選擇鏡頭時(shí)，我們會(huì)選擇比被測(cè)物體視野稍大一點(diǎn)的鏡頭，以有利于運(yùn)動(dòng)控制。

2、景深要求：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。 3、芯片大小和相機(jī)接口：例如2/3”鏡頭支持最大的工業(yè)相機(jī)耙面為2/3’’，它是不能支持1英寸以上的工業(yè)相機(jī)。

4、光源因素：注意與光源的配合，選配合適的鏡頭 。

5、可安裝空間：在方案可選擇情況下，讓客戶更改設(shè)備尺寸是不現(xiàn)實(shí)的。 典型的選型案例： ? 案例一：

? 案例二：

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? 常用的工業(yè)鏡頭品牌：

? 快門速度計(jì)算： 假設(shè)速度是 0.5m/s, sensor 為 640*480 的分辨率，視場(chǎng)為4.2*3mm， 則有：4.2mm/640=0.00656mm ，3mm/480=0.00625mm，取最小的像素當(dāng)量，此時(shí)的當(dāng)量為一個(gè)像素=0.000625mm。 當(dāng)物體在快門時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)大于 1.5 個(gè)像素時(shí)可以認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)拖影，因此要不出現(xiàn)拖影則： t(快門)小于或者等于 0.00625mm*1.5/0.5m/s=0.00001875s。 t=像素當(dāng)量 x1.5（指定的常數(shù)）/運(yùn)動(dòng)速度。 像元尺寸=CCD 長(zhǎng)/水平方向分辨率（或者 CCD 寬/垂直方向分辨率）。 一般長(zhǎng)的方向?qū)χ曇伴L(zhǎng)的方向，寬的方向?qū)σ曇岸痰姆较颉?/p>

? 4. 圖像采集卡 圖像采集卡只是完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)的一個(gè)部件，但是它扮演一個(gè)非常重要的角色。圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等等。 比較典型的是PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行處理。有些采集卡有內(nèi)置的多路開關(guān)。例如，可以連接8個(gè)不同的攝像機(jī)，然后告訴采集卡采用那一個(gè)相機(jī)抓拍到的信息。有些采集卡有內(nèi)置的數(shù)字輸入以觸發(fā)采集卡進(jìn)行捕捉，當(dāng)采集卡抓拍圖像時(shí)數(shù)字輸出口就觸發(fā)閘門。 圖像采集卡的主要功能：A/D轉(zhuǎn)換、圖像傳輸、圖像采集控制、標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)采集（PAL、NTSC）等； ?

編輯：黃飛

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