三、光学镜头选型

光学镜头之于机器视觉系统就如同人眼的晶状体之于人眼视觉系统， 如果没有光学镜头，那么摄像机所拍摄的图像将会是模糊一片。当摄像机与镜头的配合不佳时容易出现类似于人眼近视的现象，拍摄的图像不清晰，但是可以通过调整摄像头的后焦点，即改变 CCD 芯片与光学镜头基准面的具体位置，从而将摄像机视野中的图像变得清晰。
图像质量的参数包括分辨率、对比度、景深、失真度、投影误差，而镜头是最能影响这些参数的因素，因此在实际应用中，光学镜头的选型就显得尤为重要。

光学镜头的主要参数有以下几点：

(1)焦距 f：

主点到焦点的距离称为焦距，它决定了像与实际物体之间的比例。镜头焦距越长则成像越大。

(2)相对孔径与光圈数(F)：

相对孔径指镜头的有效孔径 D 与焦距 f 的比值，主要影响像面的照度，一般情况下，相对孔径越大则像面的亮度会提高。光圈指的是相对孔径的倒数，光圈决定了镜头的入光量，继而决定了图像的亮度。

(3)视场角与像面尺寸：

视场角决定了被测物的视场范围，一般与焦距有关，焦距越大则视场角越小。像面尺寸可分为 1 英寸、 2／3 英寸、 1／2 英寸、 1／3 英寸、1／4 英寸、 1／5 英寸等规格，下表为一个简单的像面尺寸规格表:

光学镜头的尺寸规格应根据摄像机的 CCD 尺寸而定，两者应保持一致。

(4)分辨率：

可定义为镜头观察黑白格状图案时单位毫米内能够分辨开的黑白条纹的对数。在选择镜头时，通常要求镜头分辨率要略高于像元分辨率。

(5)畸变：

镜头在成像时， 特别当拍摄视场较大时，图像会发生形变，这种使像变形的成像缺陷称为畸变。当工作距离一定时，要求拍摄的视场越大，采用的镜头焦距越短时，畸变的程度越明显。在工业上工件尺寸测量的应用中，畸变会严重影响其测量的精度，需要及时校正。

(6)景深：

当把物镜调焦到被测物体时，在该垂直方向上能清晰成像的空间距离，称为景深。景深与焦距、光圈大小和物距都有关，通常焦距短的镜头具有大的景深，而光圈越大则景深越小。

(7)工作距离：

指被测物体到相机底片的距离。

(8)相机接口：

即为相机和镜头的连接方式，同时也保证了相机和镜头的相对位置。常用的接口类型如下：

2.2.3 镜头选型依据
选择镜头要考虑如下几个因素：

（ 1）工作波长、变焦与定焦

视觉系统通常使用环境实在可见光范围内，这样的镜头是我们最常用的，也有一些系统比较特殊，使用环境是在紫外线或者红外波段，需要选用专门的紫外或者红外镜头。考虑到本文系统的实际应用条件和成本因素，选择可见光镜头。大多数视觉系统的工作距离和放大倍数是不变的，因此镜头焦距也是固定的，但有些系统需要在工作距离变化后保持放大倍数稳定，或者在工作距离不变的情况下获得不同的放大倍数，这样我们需要选用变焦镜头。

（ 2）远心镜头与普通镜头

由于加工制造问题，实际情况中，物距和工作距离不一定相同，进而导致成像的放大倍率发生变化，影响测量精度。这对于本文所设计的高精度测量系统来说是必须考虑的。相对于普通镜头，使用远心镜头时，物距和工作距离之差小于景深，光学放大倍数不变，这样可以使放大倍数保持稳定，从而实现恒定的测量精度。

（ 3）像面尺寸与分辨率

镜头成像大小必须大于与之配套的 CCD 相机的靶面，这样 CCD 相机的芯片才能得到充分的利用，也能保证得到完整的像。本文的线阵 CCD 尺寸为 2/3英寸，镜头的像面尺寸不应小于 2/3 英寸。镜头的选择要考虑其分辨率与相机的感光单元大小等相匹配， 这样设计的系统能充分利用 CCD 相机的分辨精度，还能使系统的经济性达到最佳。

（ 4）放大倍率与焦距