光學(xué)鏡頭概述及分類(lèi)

　　光學(xué)鏡頭一般稱(chēng)為攝像鏡頭或攝影鏡頭，簡(jiǎn)稱(chēng)鏡頭，其功能就是光學(xué)成像。鏡頭是機器視覺(jué)系統中的重要組件，對成像質(zhì)量有著(zhù)關(guān)鍵性的作用，它對成像質(zhì)量的幾個(gè)最主要指標都有影響，包括：分辨率、對比度、景深及各種像差。鏡頭不僅種類(lèi)繁多，而且質(zhì)量差異也非常大，但一般用戶(hù)在進(jìn)行系統設計時(shí)往往對鏡頭的選擇重視不夠，導致不能得到理想的圖像，甚至導致系統開(kāi)發(fā)失敗。本文的目的是通過(guò)對各種常見(jiàn)鏡頭的分類(lèi)及主要參數介紹，總結各種因素之間的相互關(guān)系，使讀者掌握機器視覺(jué)系統中鏡頭的選用技巧。

　　根據有效像場(chǎng)的大小劃分

　　把攝影鏡頭安裝在一很大的伸縮暗箱前端，并在該暗箱后端安裝一塊很大的磨砂玻璃。當將鏡頭光圈開(kāi)至最大，并對準無(wú)限遠景物調焦時(shí)，在磨砂玻璃上呈現出的影像均位于一圓形面積內，而圓形外則漆黑，無(wú)影像。此有影像的圓形面積稱(chēng)為該鏡頭的最大像場(chǎng)。在這個(gè)最大像場(chǎng)范圍的中心部位，有一能使無(wú)限遠處的景物結成清晰影像的區域，這個(gè)區域稱(chēng)為清晰像場(chǎng)。照相機或攝影機的靶面一般都位于清晰像場(chǎng)之內，這一限定范圍稱(chēng)為有效像場(chǎng)。由于視覺(jué)系統中所用的攝像機的靶面尺寸有各種型號，所以在選擇鏡頭時(shí)一定要注意鏡頭的有效像場(chǎng)應該大于或等于攝像機的靶面尺寸，否則成像的邊角部分會(huì )模糊甚至沒(méi)有影像。

　　根據焦距分類(lèi)

　　根據焦距能否調節，可分為定焦距鏡頭和變焦距鏡頭兩大類(lèi)。依據焦距的長(cháng)短，定焦距鏡頭又可分為魚(yú)眼鏡頭、短焦鏡頭、標準鏡頭、長(cháng)焦鏡頭四大類(lèi)。需要注意的是焦距的長(cháng)短劃分并不是以焦距的絕對值為首要標準，而是以像角的大小為主要區分依據，所以當靶面的大小不等時(shí)，其標準鏡頭的焦距大小也不同。變焦鏡頭上都有變焦環(huán)，調節該環(huán)可以使鏡頭的焦距值在預定范圍內靈活改變。變焦距鏡頭最長(cháng)焦距值和最短焦距值的比值稱(chēng)為該鏡頭的變焦倍率。變焦鏡頭有可分為手動(dòng)變焦和電動(dòng)變焦兩罄唷?br /> 　　變焦鏡頭由于具有可連續改變焦距值的特點(diǎn)，在需要經(jīng)常改變攝影視場(chǎng)的情況下非常方便使用，所以在攝影領(lǐng)域應用非常廣泛。但由于變焦距鏡頭的透鏡片數多、結構復雜，所以最大相對孔徑不能做得太大，致使圖像亮度較低、圖像質(zhì)量變差，同時(shí)在設計中也很難針對各種焦距、各種調焦距離做像差校正，所以其成像質(zhì)量無(wú)法和同檔次的定焦距鏡頭相比。

　　實(shí)際中常用的鏡頭的焦距是從4毫米到300毫米的范圍內有很多的等級，如何選擇合適焦距的鏡頭是在機器視覺(jué)系統設計時(shí)要考慮的一個(gè)主要問(wèn)題。光學(xué)鏡頭的成像規律可以根據兩個(gè)基本成像公式牛頓公式和高斯公式來(lái)推導，對于機器視覺(jué)系統的常見(jiàn)設計模型，我們一般是根據成像的放大率和物距這兩個(gè)條件來(lái)選擇合適焦距的鏡頭的，在此給出一組實(shí)用的計算公式：

　　放大率：m=h’/h=L’/L 物距：L = f(1+1/m)

　　像距：L’= f(1+m) 焦距：f = L/(1+1/m)

　　物高：h = h’/m = h’(L-f)/f 像高：h’ = mh = h(L’-f)/f

　　根據鏡頭接口類(lèi)型劃分

　　鏡頭和攝像機之間的接口有許多不同的類(lèi)型，工業(yè)攝像機常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徠卡接口、M42接口、M50接口等。接口類(lèi)型的不同和鏡頭性能及質(zhì)量并無(wú)直接關(guān)系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各種常用接口之間的轉接口。

　　C接口和CS接口是工業(yè)攝像機最常見(jiàn)的國際標準接口，為1英寸-32UN英制螺紋連接口，C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的，區別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。所以CS型接口的攝像機可以和C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用C口鏡頭時(shí)需要加一個(gè)5mm的接圈;C型接口的攝像機不能用CS口的鏡頭。

　　F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標準，所以又稱(chēng)尼康口，也是工業(yè)攝像機中常用的類(lèi)型，一般攝像機靶面大于1英寸時(shí)需用F口的鏡頭。

　　V接口鏡頭是著(zhù)名的專(zhuān)業(yè)鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標準，一般也用于攝像機靶面較大或特殊用途的鏡頭。

　　特殊用途的鏡頭

　　顯微鏡頭(Micro)，一般是指成像比例大于10:1的拍攝系統所用，但由于現在的攝像機的像元尺寸已經(jīng)做到3微米以?xún)�，所以一般成像比例大�?:1時(shí)也會(huì )選用顯微鏡頭。

　　微距鏡頭(Macro)，一般是指成像比例為2:1～1:4的范圍內的特殊設計的鏡頭。在對圖像質(zhì)量要求不是很高的情況下，一般可采用在鏡頭和攝像機之間加近攝接圈的方式或在鏡頭前加近拍鏡的方式達到放大成像的效果。

　　遠心鏡頭(Telecentric)，主要是為糾正傳統鏡頭的視差而特殊設計的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內，使得到的圖像放大倍率不會(huì )隨物距的變化而變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應用。

　　紫外鏡頭(Ultraviolet)和紅外鏡頭(Infrared)，一般鏡頭是針對可見(jiàn)光范圍內的使用設計的，由于同一光學(xué)系統對不同波長(cháng)的光線(xiàn)折射率的不同，導致同一點(diǎn)發(fā)出的不同波長(cháng)的光成像時(shí)不能會(huì )聚成一點(diǎn)，產(chǎn)生色差。常用鏡頭的消色差設計也是針對可見(jiàn)光范圍的，紫外鏡頭和紅外鏡頭即是專(zhuān)門(mén)針對紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)進(jìn)行設計的鏡頭。