工业镜头参数详解
工业镜头参数详解
机器视觉系统中，镜头作为机器的眼睛，其主要作用是将目标物体的图像聚焦在图像传感器（相机）的光敏器件上。数据系统所处理的所有图像信息均需要通过镜头得到，镜头的质量直接影响到视觉系统的整体性能。
这一期镜头学堂将对机器视觉工业镜头相关参数做简要介绍：
01 详解镜头焦距（EFL）
定义:透镜中心到像方焦点的距离。
光学系统中的焦距用来衡量光学系统汇聚或发散光线的能力。
焦距示意图
该如何理解焦距与视场角的关系呢？对于相同的感光元件，搭配的镜头焦距越长，视场角越小，反之成立（排除枕形畸变的影响)。可以根据下面这组图片来直观的感受一下
注：使用同款感光芯片
02 详解镜头光圈数（F.No）
定义:焦距（EFL）与入瞳（D，光圈在物方空间的像）的比值，即F.No=EFL/D。
F.No数的大小是如何对画面亮度、景深及装配灵敏度产生影响的呢？
a．画面亮度
F.No数的大小决定进入光学系统能量的多少。
F.No越大，进入光学系统的光线越少，画面越暗；F.No越小，进入光学系统的光线越多，画面越亮。
如下图所示：
注:此项默认相机曝光时间、增益等参数恒定。
b．景深
在其它所有参数保持一致的前提下，F.No越大，景深越大；F.No越小，景深越小。
c．装配灵敏度
F.No越大，图像对安装倾斜的灵敏度低，越易于装配；F.No越小，图像对安装倾斜的灵敏度高，越不易于装配。
03 详解镜头畸变（Distortion）
04 详解镜头视场角（Field of View）
定义:镜头在感光元器件上所能看到的空间角度范围，即光学系统入瞳中心对物的张角或出瞳中心对像的张角。视场角与焦距(EFL)的关系：若Y为Sensor的半对角线长度，在不考虑光学系统畸变的前提下，对角线视场角（2θ）=2*arctan(Y/EFL)，如下图所示：
注：视场角与镜头焦距、Sensor靶面大小和镜头畸变有关：
a.镜头焦距相同的情况下，Sensor靶面越大,视场角越大；
b.Sensor靶面相同的情况下，镜头焦距越小,视场角越大；
c. 镜头焦距和Sensor靶面都相同的情况下,枕形(负)畸变越大,视场角越大。
05 详解镜头清晰度（Resolution）
定义:分辨率和反差综合表现的结果。分辨率又称分辨力、解析力、鉴别率、解析度，指的是镜头清晰的再现被摄景物细节的能力，分辨率越高的镜头，拍摄的图像越清晰细腻。清晰度也可以用像面上镜头在单位MM内能够分辨的线对数表示，单位是LP/MM，能够分辨的线对数越多，代表镜头分辨率越高。如下图所示：
反差即对比度，用来形容图像最亮处和最暗处的差别；用MTF（ModulationTransfer Function调制传递函数）来表示，MTF描述的是光学成像系统对各频率分量对比度的传递特性，如下式所示：
其中I’max和I’min表示像的最大和最小灰度值，Imax和Imin表示物的最大和最小灰度值。很明显，调制度介于0和1之间，调制度M越高，意味着反差越大；当图像中的最大亮度和最小亮度相等，反差完全消失，此时调制度为0。
下图为分辨率为10LP/MM，MTF在0.05~0.4之间的对比图片，从下图可以看出，人眼可接受的最小可分辨的MTF数值在0.15~0.2之间。
MTF如何影响到镜头的整体成像效果？
低频率时的MTF值决定了图像的对比度，高频率时的MTF值决定了图像的分辨力，MTF的优劣直接影响到镜头的整体成像效果，如下图：
A曲线: 曲线平滑下降,说明图像的解像力和对比度均达到了较好的水平，见A图;
B曲线: 低频率时的MTF值持续很高,说明图像的对比度很好；但是高频率时的MTF很低，说明图像的解像力较差，见B图；
C曲线: 低频率时的MTF值下降较快，说明图像对比度较差;高频时的MTF较B曲线高，说明图像解像力效果比B好，见C图；
06 详解镜头相对照度（Relative Illumination）
定义
图像边缘亮度与中心亮度的比值。Sensor表面不同位置的照度的大小与该处入射于像面的光线入射角的Cosin四次方成正比。
相对照度<1?
07 详解镜头景深（Depth of Field）
定义
能够在像平面上呈现清晰的像的物方空间深度范围。
那么景深是如何计算的？又和哪些因素有关呢？
08 详解镜头放大倍率（Magnification）
定义:像高和物高的大小之比。放大倍率的计算方法：
09 详解镜头靶面大小（Max Image Circle）
定义:感光元器件对角线尺寸。
靶面大小示意图
10 详解镜头镜头接口（Mount）
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