六、镜头成像原理及其应用

1.镜头我们可以简单的看成是个透镜，它的成像原理基本和透镜一样。

从物体平面到镜头的距离叫物距（S1），由镜头到传感器平面的距离叫像距（S2），镜头的焦距（f）。它们之间满足：

  2.镜头一般由：各个光学透镜、光圈、对焦环、接口组成。

  其中光圈是一个控制镜头入光亮的光学装置。它是一个用来控制光线透过镜头，进入相机芯片的光量的装置，通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用f值。对于已经制造好的镜头，我们不可能随意改变镜头的直径，但是我们可以通过在镜头内部加入多边形或者圆型，并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量，这个装置就叫做光圈。

   这里值得一提的是光圈数f#，它表示镜头焦距与整个镜头有效通光孔径的比值，为了便于表示，镜头上一般会省略小数点，标出这个数值的十倍，光圈数越小，通光孔径就越大（如右图所示），在同一单位时间内的进光量便越多，而且上一级的进光面积刚好是下一级的两倍，例如光圈从f/8调整到f/5.6 ，进光面积便多一倍，我们也说光圈开大了一级。

在其他条件不变的情况下，光圈越大，进光量越多，图像比较亮；光圈越小，进光量越少，图像比较暗。

在实际应用场景中，常常会出现视觉设备安装空间较小的难题，因而不能选到完全适合应用环境的镜头。此时，对镜头成像原理及规律的认知就可以帮助我们解决此难题，根据成像原理，当物距空间受限时，适当的增加像距（即增加接圈），就可以满足安装要求。

七、物体厚度与景深的调节

物点成像时，由于像差，其成像光束不能会聚于一点，在像平面上形成一个扩散的圆形投影，称为弥散圆。如果此圆形的直径足够小，肉眼依然可被视为点的合焦成像。这个可以被接受的最大直径被称为容许弥散圆直径。

在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即： 焦点前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。景深的计算公式：

δ代表景深，s代表物距，f代表焦距，F为镜头拍摄时的光圈值，D为弥散圆直径。从公式可以看出，影响景深的因素：

（1）镜头光圈：光圈越大（光圈值越小），景深越小；光圈越小（光圈值越大），景深越大；

（2）镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；

（3）拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

由于视觉应用的大部分场景均不会涉及到被测物体的高度变化，因此，景深的概念往往容易被忽略，但有一些特殊场景，却需要对景深的灵活运用，以达到优质的图像效果。比如当被测物体会逐渐变厚或变薄，而相机镜头的位置固定不动时，在选型设计之初，就需要考虑被测物体的最大厚度变化，保证所选镜头的景深可以兼容被测物体的变化。我们最常用的方法是光圈的调节以及镜头的焦距选择，来保证被测物体可以在景深范围内清晰成像。

八、镜头尺寸选择与成像视野之间的关系

工业相机镜头的尺寸特殊之处：1inch = 16mm ≠25.4mm，以摄像机镜头尺寸可将镜头分为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，下面是一个简单的芯片尺寸规格表：

镜头规格应视相机的尺寸而定，两者应相互对应。如果镜头尺寸比相机靶面尺寸大时，将使图像视野比镜头视野小，不能很好地利用镜头的视野；如果镜头尺寸比相机靶面尺寸小时，将发生“隧道效应”，即图像有圆形的黑框，像在隧道里拍的一样。

因此我们在选型时，需要注意搭配，尽量选择与相机尺寸一致的镜头，遵循一个原则：镜头尺寸≥相机芯片尺寸。

九、镜头畸变与校正

实际光学系统中，视场中心处与视场边缘处有不同的放大率，物和像因此不再完全相似，这种像对物的变形像差称为畸变。畸变主要分为桶形畸变与枕形畸变。枕形畸变（Pincushion Distortion），又称枕形失真，是由镜头引起的画面向中间“收缩”的现象。桶形畸变（Barrel Distortion），又称桶形失真，是由镜头中透镜物理性能以及镜片组结构引起的成像画面呈桶形膨胀状的失真现象。

我们常常使用的镜头为定焦镜头与远心镜头，普通机器镜头通常有不高于1%的畸变，远心镜头可严格控制在0.1%以下。对于高精度、需要消除透视效应的测量应用场景更加青睐远心镜头，而定焦镜头的畸变情况除了与厂商的制作有关外，与焦距大小也有一定的关系，焦距越大，畸变越小，焦距越小，畸变越大。日常选型时，如果被测精度要求较高，就尽量选择长焦段的镜头或远心镜头，以保证检测精度。当然，也可以通过软件的图像校正工具，实现对图像畸变的校正。

十、 镜头的分辨率与图像效果

相机分辨率的概念大家都很熟悉，但是提到镜头分辨率，可能很多人会比较陌生。镜头的分辨率是指在成像平面上1毫米间距内能分辨开的黑白相间的线条对数，分辨率= 1/2d, 其中d为线宽，单位是“线对/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）。

比如一个相机的像元尺寸是5um，相机所能支持的最大分辨能力为刚好黑白两个像素相邻，此时完全使用了相机的像元进行细节分辨。以一黑一白为一个线对，该线对在空间中每10um进行重复，则空间频率为1000/10=100 线对/毫米。对于镜头而言，当镜头的成像超过该分辨率，相机也无法分辨，因此，当镜头的解析力稍高于100 线对/毫米，则认为镜头性能与相机性能匹配。

十一、镜头选型要点总结

在整个机器视觉系统中，镜头是机器视觉系统中图像采集部分的重要成像器件，因为受到整个系统的制约，所以镜头选型的正确与否直接影响整个机器视觉系统。镜头的选型一般可以从以下几个方面来进行分析：

1.对安装空间有限制要求的：镜头的大小和镜头的长度；

2.固定相机悬挂镜头：例如有些相机悬挂不了比较重的镜头；

3.摄像系统需要运动：速度过快的话，因为惯性，摄像系统有可能会偏移；

4.对光谱响应有特殊要求的，例如对于紫外环境，普通的玻璃镜头会吸收几乎所有紫外光；

5.是否需要在镜头上加光源；例如同轴镜头可以安装点光源；

6.价格要求；

7.镜头的工作环境；

8.是否有其他特殊构件。