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工業(yè)鏡頭的概念及分類
光學(xué)鏡頭一般稱為攝像鏡頭或攝影鏡頭，簡稱鏡頭，其功能就是光學(xué)成像。鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的重要組件，對成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用，它對成像質(zhì)量的幾個zui主要指標(biāo)都有影響，包括：分辨率、對比度、景深及各種像差。鏡頭不僅種類繁多，而且質(zhì)量差異也非常大，但一般用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時往往對鏡頭的選擇重視不夠，導(dǎo)致不能得到理想的圖像，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)失敗。本文的目的是通過對各種常見鏡頭的分類及主要參數(shù)介紹，總結(jié)各種因素之間的相互關(guān)系，使讀者掌握機(jī)器視覺系統(tǒng)中鏡頭的選用技巧。
根據(jù)有效像場的大小劃分
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(dāng)將鏡頭光圈開至zui大，并對準(zhǔn)無限遠(yuǎn)景物調(diào)焦時，在磨砂玻璃上呈現(xiàn)出的影像均位于一圓形面積內(nèi)，而圓形外則漆黑，無影像。此有影像的圓形面積稱為該鏡頭的zui大像場。在這個zui大像場范圍的中心部位，有一能使無限遠(yuǎn)處的景物結(jié)成清晰影像的區(qū)域，這個區(qū)域稱為清晰像場。照相機(jī)或攝影機(jī)的靶面一般都位于清晰像場之內(nèi)，這一限定范圍稱為有效像場。由于視覺系統(tǒng)中所用的攝像機(jī)的靶面尺寸有各種型號，所以在選擇鏡頭時一定要注意鏡頭的有效像場應(yīng)該大于或等于攝像機(jī)的靶面尺寸，否則成像的邊角部分會模糊甚至沒有影像。
根據(jù)焦距分類
根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦距鏡頭和變焦距鏡頭兩大類。依據(jù)焦距的長短，定焦距鏡頭又可分為魚眼鏡頭、短焦鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、長焦鏡頭四大類。需要注意的是焦距的長短劃分并不是以焦距的值為首要標(biāo)準(zhǔn)，而是以像角的大小為主要區(qū)分依據(jù)，所以當(dāng)靶面的大小不等時，其標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距大小也不同。變焦鏡頭上都有變焦環(huán)，調(diào)節(jié)該環(huán)可以使鏡頭的焦距值在預(yù)定范圍內(nèi)靈活改變。變焦距鏡頭zui長焦距值和zui短焦距值的比值稱為該鏡頭的變焦倍率。變焦鏡頭有可分為手動變焦和電動變焦兩大類。
變焦鏡頭由于具有可連續(xù)改變焦距值的特點(diǎn)，在需要經(jīng)常改變攝影視場的情況下非常方便使用，所以在攝影領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。但由于變焦距鏡頭的透鏡片數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以zui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，同時在設(shè)計中也很難針對各種焦距、各種調(diào)焦距離做像差校正，所以其成像質(zhì)量無法和同檔次的定焦距鏡頭相比。
變焦鏡頭由于具有可連續(xù)改變焦距值的特點(diǎn)，在需要經(jīng)常改變攝影視場的情況下非常方便使用，所以在攝影領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。但由于變焦距鏡頭的透鏡片數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以zui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，同時在設(shè)計中也很難針對各種焦距、各種調(diào)焦距離做像差校正，所以其成像質(zhì)量無法和同檔次的定焦距鏡頭相比。
實際中常用的鏡頭的焦距是從4毫米到300毫米的范圍內(nèi)有很多的等級，如何選擇合適焦距的鏡頭是在機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計時要考慮的一個主要問題。光學(xué)鏡頭的成像規(guī)律可以根據(jù)兩個基本成像公式牛頓公式和高斯公式來推導(dǎo)，對于機(jī)器視覺系統(tǒng)的常見設(shè)計模型，我們一般是根據(jù)成像的放大率和物距這兩個條件來選擇合適焦距的鏡頭的，在此給出一組實用的計算公式：
| 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 |
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(tǒng)所用，但由于現(xiàn)在的攝像機(jī)的像元尺寸已經(jīng)做到3微米以內(nèi)，所以一般成像比例大于2:1時也會選用顯微鏡頭。
·微距鏡頭（Macro），一般是指成像比例為2:1～1:4的范圍內(nèi)的特殊設(shè)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(jī)之間加近攝接圈的方式或在鏡頭前加近拍鏡的方式達(dá)到放大成像的效果。
·遠(yuǎn)心鏡頭（ecentric），主要是為糾正傳統(tǒng)鏡頭的視差而特殊設(shè)計的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內(nèi)，使得到的圖像放大倍率不會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(yīng)用。
紫外鏡頭（Ultraviolet）和紅外鏡頭（Infrared），一般鏡頭是針對可見光范圍內(nèi)的使用設(shè)計的，由于同一光學(xué)系統(tǒng)對不同波長的光線折射率的不同，導(dǎo)致同一點(diǎn)發(fā)出的不同波長的光成像時不能會聚成一點(diǎn)，產(chǎn)生色差。常用鏡頭的消色差設(shè)計也是針對可見光范圍的，紫外鏡頭和紅外鏡頭即是專門針對紫外線和紅外線進(jìn)行設(shè)計的鏡頭
機(jī)器視覺圖像采集產(chǎn)品專業(yè)研發(fā)制造商--維視圖像（Microvision）
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