机器学习与知识发现_机器视觉学习之工业镜头--硬件知识扫盲学习

今天我来介绍一下工业镜头的相关知识。在前些章节，我介绍了关于光源的知识，没看的同学可以前往观看

机器视觉学习之光源--硬件知识扫盲必看

如果工业相机没有镜头，那么Sensor感光就是一片噪点，聚焦不在物体上。镜头的作用是收集反射在物体表面的光并将其聚焦在CCD/CMOS上面。镜头就好比人的眼睛一样，人要看清楚一个物体，需要先构图聚焦到某一个物体上，晶状体相当于镜头，光线通过晶状体映射在眼球后部的视网膜上，视网膜上有很多感光细胞，此是视神经将这个信息传递给大脑，人就会感知到物体。

人眼成像

镜头一般由光学系统和机械装置构成，有些镜头也集成了自动调光圈、自动调焦的功能，小编也在实际项目中有用过此类镜头，主要做产品的兼容，比如需要满足不同大小、不同高度的产品，提高设备的柔性。

1. 镜头按照焦距大小可以分为长焦镜头、标准镜头、广角镜头等
2. 按照通常可以分为安防用镜头(CCTV)、工业自动化镜头(FA)、广播级别镜头、高清系电视用镜头
3. 机器视觉行业通常有定倍镜头、变焦镜头、远心镜头、宏镜头、高清百万像素镜头、线扫镜头、内窥镜头等等。

这些没有严格的划分界限。

镜头

• 在这里，我主要介绍一下工业镜头的参数和如何选型。

镜头参数

焦距

• 焦距是从镜头的中心点到焦平面上锁形成的清晰图像的距离，焦距的大小直接决定视场的大小，焦距数值小，视野大，所观察的范围也越大，焦距数值大，视角小，所观察的范围小。根据焦距是否能调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。

焦距和视野

光圈

• 镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量，每个镜头上都标有最大F值，例如8mm/F1.4代表最大孔进为5.7mm，F值越小，光圈越大，F值越大，光圈越小。

光圈

最大兼容CCD尺寸

• 镜头成像直径需要覆盖CCD/CMOS的芯片尺寸。如下图中所示左边为尺寸表格，右边展示了镜头尺寸小于CCD尺寸和镜头尺寸大于CCD尺寸效果，可以看到，镜头尺寸小于CCD尺寸会在图像的四个角留下黑色的边框，因为这部分已经被镜头挡住了。

Sensor大小与镜头关系

接口

• 镜头和相机连接接口，最常用的有C、CS、F、V、T2、Leica、M43*1、M75*0.75等接口。

景深

• 景深是指在被拍摄的物体聚焦清晰后，在物体前后一定距离内，任然可以看清楚的范围。景深随着镜头的光圈值、焦距、拍摄距离变化变化而变化。光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。焦距越长，景深越小，焦距越短，景深越大；距离拍摄物体越近时，景深越小；距离拍摄物体圆时，景深越大。

景深

分辨率

• 分辨率代表镜头记录物体细节的能力，以每毫米里面能够分清黑白对线数量为计量单位“线对/毫米”。分辨率越高的镜头成像越清晰，价格也越贵。

分辨率线对

典型的分辨率测试图表

工作距离

• 镜头第一个工作表面到被测物体的距离

工作距离

视野范围

• 相机实际拍摄到的尺寸大小，用FOV表示。

光学放大倍数

• CCD/FOV，芯片尺寸除视野范围

后背焦

• 准确来说，后倍焦是相机的一个参数，值相机接口平面到芯片的距离，但在线阵扫描经呕吐或者大面阵相机镜头选型时，后倍焦是一个非常重要参数，它直接影响镜头配置。

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镜头选型

远心镜头

• 在这里，我分了一下，按照实际应用来，如果是单纯的测量任务我们选择远心镜头，如果我们的产品是10*8mm大小，那么我们一般在选择的时候视野大小选择产品大小1.5~2倍左右，那么选择远心镜头倍率就可以选择0.5~0.6倍都可以，远心镜头视野就是芯片尺寸除以倍率。

远心镜头倍率表(图示，每个厂家都有自己产品型录)

FA镜头

选择镜头接口和最大CCD尺寸

• 镜头接口要根据相机接口匹配或者可以加转接环匹配,镜头可以支持最大的CCD尺寸大于等于相机Sensor尺寸

选择镜头焦距

计算焦距图示

焦距计算

• 在已知芯片尺寸、工作距(WD)和视野(FOV)的情况下，可以计算出所需要镜头的焦距f

选择镜头光圈

• 镜头的光圈大小决定图像的亮度，在拍摄高速移动的物体这个参数尤其重要，曝光时间要求很短，需要选用大光圈镜头，以提高图像的对比度。

景深

• 这需要根据你的应用场景来具体选择， 如果你项目情况是产品有一定高度差，需要都能够看清楚，你就需要看重这个参数了。

环境

• 这一步可选，需要根据你的实际情况来，严格的说也不算在选择镜头里面，有些应用场景需要滤光片，把不需要的光过滤，以免影响图像质量

这是选择镜头的一般步骤。

当然，在机器视觉项目中，会根据实际项目情况选择一些其他的配件，比如使用接圈、转接环以及特殊应用可以跟生产厂家沟通定制镜头。

在实际应用中，我发现25mm/35mm的镜头使用的最广泛。

我是 机器视觉工程师，多年视觉软件开发老司机，关注我，带你视觉软件开发从入门到精通。