精华总结|机器视觉硬件之镜头
内容提要
1.镜头定义：介绍光学镜头的定义
2.镜头分类：从球面镜到非球面镜，从定焦到变焦，从短焦到长焦，尽可能 多的阐述镜头种类
3.镜头参数：以Computar镜头为例，实例分析镜头参数
4.镜头成像影响因子：分析影响镜头成像各种工艺误差
5.工业镜头常见种类：罗列几种常用的工业镜头
6.镜头选型因素：介绍影响镜头选型的考虑因素
1.镜头定义
用以生成影响的光学部件即是镜头。在机器视觉中，镜头一般由多片透镜组成，直接影响成像质量的优劣。
2.镜头分类
按照外形功能：球面镜头、非球面镜头、针孔镜头、鱼眼镜头
按照焦距：短焦镜头、中焦镜头、长焦镜头
按照视场大小：广角镜头、标准镜头、远摄镜头
按照结构：固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动变焦镜头、启动光圈电动变焦镜头、电动三可变（光圈、焦距、聚焦）镜头
下面会依次介绍这些种类镜头。
球面镜头
反射面为球面
镜头的镜片为球面
成本低
像差大，成像质量一般
非球面镜
折射面不是球面
减少镜片像差
一般镜片组会有一、两片非球面镜
针孔镜头
镜头针头大小
摄像组件硬币大小
鱼眼镜头
焦距极短
视角接近180°
固定光圈定焦镜头
光圈固定不可调
结构简单，价格便宜
安防行业
手动光圈定焦镜头
光圈范围F1.2-F3.5不等
光圈可手动，对焦也可手动
CCTV镜头
自动光圈定焦镜头
光圈外环增加齿轮啮合传动的微型电机
手动光圈变焦镜头
焦距可变
焦距调整环
手动变焦
自动变焦
自动光圈电动变焦镜头
微型电机与镜头的变焦环配合
电动三可变镜头
光圈可电动改变
焦距可电动改变
对焦可电动改变
电影摄像机
长焦镜头
拍摄距离远
景深小
135mm-500mm
500mm以上超长焦距
标准镜头
视角约50°
35mm
微距镜头
工作距离非常短
微距接圈可使工作距离变短
广角镜头
视角90°以上
折射式望远镜
焦距非常长
长达几米
太空探测
反射式望远镜
反射镜面
太空望远镜
3.镜头参数
主要镜头参数如下
焦距f —从透镜中心到光聚集之焦点的距离；
畸变 —光学透镜的透视失真；
景深DOF —指在被摄物体聚焦清楚后，在物体前后一定距离内，其影像仍然清晰的范围；
光圈系数F —镜头焦距/通光孔径，即光通量；
视场FOV —镜头能够观察到的实际范围的大小；
分辨率 —代表镜头记录物体细节的成像能力；
工作距离WD —从镜头到被检测物体的距离；
最大兼容芯片尺寸 —镜头能支持的最大清晰成像的范围；
光学放大倍率β —相机芯片尺寸/视场尺寸；
镜头接口 —C口和CS口，C口镜头加5mm延长管可用于CS口相机；
支持芯片尺寸 —2/3’,1/2’等支持相机尺寸，镜头支持尺寸需大于等于配套相机 尺寸。
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实例分析镜头参数，以Computar镜头为例。
左列参数：
镜头型号：M2514—MP2 焦距25，光圈1.4 百兆镜头
相机实物图片
相机尺寸：长、直径等
中间参数：
焦距：25mm
最大光圈（F数）：1.4-16
最大图像格式（最大传感器尺寸）：8.8mm*6.6mm（φ11mm），2/3‘’
工作范围：光圈 F1.8-F16.0 对焦：0.15mm-无穷远
控制：光圈手动，对焦手动
目标尺寸：10.6cm（H）*7.6cm（V），2/3‘’
视场角：2/3‘’，直径_24.9°，水平_20.0°, 垂直_15.1°
1/2‘’，直径_18.2°，水平_14.6°, 垂直_11.0°
工作温度：-10°–50°
畸变：2/3‘’，-0.3%（y=5.5），1/2‘’，-0.1%（y=4.0）
后焦距：13.1mm，是指厚透镜最后一个光学表面到后焦平面的距离
法兰焦距：17.526，镜头与相机连接的表面到成像靶面的距离
接口：C口
滤光片尺寸：M30.5 P=0.5mm 指镜头前端添加滤光片的尺寸
尺寸：33.5mm*36.0mm
重量：71g
右列参数：
工作距离 光学倍率 接圈 不同芯片下的视野范围
描述不同工作距离与镜头放大率、不同芯片下的视野范围的关系。
从数据上看，工作距离越小，光学放大倍率先增大后减小，视场越来越小，且芯片尺寸约大，视场越大。
俩个有关镜头参数的重要关系：
- 光圈越小，景深越大
2.工作距离越大，失真越小
4.镜头成像影响因子
像差，实际工作中光学系统所成的像与近轴光学（高斯光学，理想光学），有一定偏离，这个偏离称为像差。
像差有球面像差、彗形像差、像散、场曲、畸变以及波长引起的色散。
球差：焦点不能以点的方式集中于光轴
慧差：焦平面所得到的像称慧尾形状的亮斑
像散：成像不清晰、
场曲：在一个平坦的像平面上，影响的清晰度从中央像外发生变化，聚焦形成 弧形。
畸变：物体上的志向经过透镜成像后变成弯曲的现象。镜头边缘的放大率大于中间放大率，枕型畸变，镜头边缘的放大率小于中间放大率，桶型畸变。
色差：投射材料折射率随波长变化，物体点发出不同的波长光线时，经过光学 系统不会聚在一点，形成有色的弥散斑。
5.工业镜头常见种类
CCTV镜头
机器视觉常用的普通镜头
定焦
手动可调光圈
手动对焦
远心镜头
极低畸变
大景深
放大倍率不变
解析度高
物方远心镜头：消除物方由于调教不准确带来的读数误差
物距发生改变，测得物体尺寸不变
像方远心镜头：消除像方调焦不准引入的测量误差
CCD芯片安装位置有改变，CCD成像大小不变
双侧远心镜头：兼顾优点，视觉测量
显微镜头
更高放大倍数
线阵镜头
F口
搭配线阵相机
变焦镜头
不同位面的目标进行检测
定焦镜头+丝杠类似于变焦
6.镜头选型因素
视野FOV：拍摄目标的大小
工作距离WD：镜头到目标的距离
镜头接口：C、CS等
镜头分辨率：镜头分辨率需要比相机大。在实际应用中，百万像素也可以胜任500万相机
景深：目标可清晰成像的范围
畸变：高精度尺寸测量时需要注意
视场、工作距离、传感器决定镜头的焦距
其他参数决定镜头的品质，包括远心、显微、低畸变、高分辨率等
镜头参数间相互关系：
焦距大小影响情况：
焦距越小，景深越大；
焦距越大，畸变越小；
光圈大小影响情况：
光圈越大，图像亮度越高；
光圈越大，景深越小；
最大光圈越大，分辨率越高；
光圈越大，畸变越严重；
成像中央与边缘情况：
成像中央分辨率、光强、畸变都要比边缘高
光波长的影响情况：
波长越短，图像分辨率越高
单色光干扰小
高精度测量需采用短波长单色光照明
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