一、鏡頭主要參數(shù)

1.焦距（Focal Length）

焦距是從鏡頭的中心點(diǎn)到膠平面上所形成的清晰影像之間的距離。焦距的大小決定著視角的大小，焦距數(shù)值小，視角大，所觀察的范圍也大；焦距數(shù)值大，視角小，觀察范圍小。根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類。

2.光圈(Iris)

用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來(lái)衡量。每個(gè)鏡頭上都標(biāo)有最大F值，例如 8mm /F1.4代表最大孔徑為 5.7毫米 。F值越小，光圈越大，F(xiàn)值越大，光圈越小。

3.對(duì)應(yīng)最大CCD尺寸(Sensor Size)

鏡頭成像直徑可覆蓋的最大CCD芯片尺寸。主要有：1/2″、2/3″、1″和1″以上。

4.接口(Mount)

鏡頭與相機(jī)的連接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。

5.景深(Depth of Field,DOF)

景深是指在被攝物體聚焦清楚后，在物體前后一定距離內(nèi)，其影像仍然清晰的范圍。景深隨鏡頭的光圈值、焦距、拍攝距離而變化。光圈越大，景深越??；光圈越小、景深越大。焦距越長(zhǎng)，景深越小；

焦距越短，景深越大。距離拍攝體越近時(shí)，景深越小；距離拍攝體越遠(yuǎn)時(shí)，景深越大。

6.分辨率(Resolution)

分辨率代表鏡頭記錄物體細(xì)節(jié)的能力，以每毫米里面能夠分辨黑白對(duì)線的數(shù)量為計(jì)量單位：“線對(duì)/毫米”（lp/mm）。分辨率越高的鏡頭成像越清晰。

7、工作距離(Workingdistance,WD)

鏡頭第一個(gè)工作面到被測(cè)物體的距離。

8、視野范圍(Field of View,FOV)

相機(jī)實(shí)際拍到區(qū)域的尺寸。

9、光學(xué)放大倍數(shù)(Magnification,?)

CCD/FOV，即芯片尺寸除以視野范圍。

10、數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)

數(shù)值孔徑等于由物體與物鏡間媒質(zhì)的折射率n與物鏡孔徑角的一半（a\2）的正弦值的乘積，計(jì)算公式為N.A=n*sin a/2。數(shù)值孔徑與其它光學(xué)參數(shù)有著密切的關(guān)系，它與分辨率成正比，與放大率成正比。也就是說(shuō)數(shù)值孔徑，直接決定了鏡頭分辨率，數(shù)值孔徑越大，分辨率越高，否則反之。

11、后背焦(Flange distance)

準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，后倍焦是相機(jī)的一個(gè)參數(shù)，指相機(jī)接口平面到芯片的距離。但在線掃描鏡頭或者大面陣相機(jī)的鏡頭選型時(shí)，后倍焦是一個(gè)非常重要的參數(shù)，因?yàn)樗苯佑绊戠R頭的配置。不同廠家的相機(jī)，哪怕接口一樣也可能有不同的后倍焦。

二、鏡頭的選型

1.選擇鏡頭接口和最大CCD尺寸

鏡頭接口只要可跟相機(jī)接口匹配安裝或可通過(guò)外加轉(zhuǎn)換口匹配安裝就可以了；鏡頭可支持的最大CCD尺寸應(yīng)大于等于選配相機(jī)CCD芯片尺寸。

2.選擇鏡頭焦距

如圖所示，在已知相機(jī)CCD尺寸、工作距離（WD）和視野（FOV）的情況下，可以計(jì)算出所需鏡頭的焦距（f）。

3.選擇鏡頭光圈

鏡頭的光圈大小決定圖像的亮度，在拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體、曝光時(shí)間很短的應(yīng)用中，應(yīng)該選用大光圈鏡頭，以提高圖像亮度。

4.選擇遠(yuǎn)心鏡頭

遠(yuǎn)心鏡頭是為糾正傳統(tǒng)鏡頭的視差而特殊設(shè)計(jì)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(huì)隨物距的變化而變化。遠(yuǎn)心鏡頭與傳統(tǒng)鏡頭對(duì)比，如圖：

 

遠(yuǎn)心鏡頭又分為物方遠(yuǎn)心和雙側(cè)遠(yuǎn)心兩種，如圖：

 

機(jī)器視覺的鏡頭選擇創(chuàng)造不同

機(jī)器視覺為工業(yè)控制系統(tǒng)增加了新的維度，它可以提供裝配線上零件的尺寸、位置和方向。而合適的鏡頭選擇對(duì)于機(jī)器視覺能否發(fā)揮應(yīng)有的作用是非常重要的。

機(jī)器視覺在控制工業(yè)流程當(dāng)中的作用越來(lái)越重要了，尤其是在機(jī)器人引導(dǎo)、目標(biāo)識(shí)別和質(zhì)量保證等領(lǐng)域。當(dāng)前優(yōu)秀的視覺系統(tǒng)已經(jīng)超出了那些基本功能（例如辨別零件和確定方向）的范疇，還可以提供后續(xù)功能的信息，比如將物體從一個(gè)位置移至另一個(gè)。

對(duì)于裝配線和大量檢測(cè)操作中使用的機(jī)器人系統(tǒng)，比如汽車生產(chǎn)和檢測(cè)線，傳送帶通常是參考。這里，機(jī)器人執(zhí)行兩項(xiàng)任務(wù)：識(shí)別和傳送。

在絕大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用里，光學(xué)控制都是非常重要的。機(jī)器人視覺系統(tǒng)同樣要求極高的可重復(fù)性，因此減少抖動(dòng)提供清晰圖像是必要的。

在類似藥品工廠這樣的大規(guī)模單位檢測(cè)線上，視覺系統(tǒng)必須能夠辨識(shí)缺陷包、不可讀標(biāo)簽和產(chǎn)品缺失。視覺系統(tǒng)必須能夠以極高的準(zhǔn)確度快速識(shí)別和測(cè)量方形、圓形和橢圓形物體。提高機(jī)器視覺系統(tǒng)的精確度，可以幫助保持統(tǒng)一的包裝表面和顏色。對(duì)于食品檢測(cè)系統(tǒng)，產(chǎn)品的尺寸、顏色、密度和形狀都需要依靠多元檢測(cè)才確定。多元機(jī)器視覺系統(tǒng)既可以是彩色相機(jī)也可以是黑白相機(jī)，通常使用結(jié)構(gòu)照明方法建立產(chǎn)品外表和內(nèi)在結(jié)構(gòu)。

盡管照相機(jī)、分析軟件和照明對(duì)于機(jī)器視覺系統(tǒng)都是十分重要的，可能最關(guān)鍵的元件還是成像鏡頭。系統(tǒng)若想完全發(fā)揮其功能，鏡頭必須要能夠滿足要求才行。當(dāng)為控制系統(tǒng)選擇鏡頭的時(shí)候，機(jī)器視覺集成商應(yīng)該考慮四個(gè)主要因素：

1.可以檢測(cè)物體類別和特性；

2.景深或者焦距；

3.加載和檢測(cè)距離；

4.運(yùn)行環(huán)境。

分析這四個(gè)因素，可以針對(duì)具體應(yīng)用確定合適的鏡頭選擇。

 

主要放大率是指?jìng)鞲衅魃蠄D像尺寸對(duì)于實(shí)際物體大小的比例。

物體特性

在為機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇鏡頭之前，系統(tǒng)集成商必須確定物體和分析環(huán)境。這個(gè)可視區(qū)域叫做無(wú)遮擋視場(chǎng)（FOV），它可以使用豎直和水平兩個(gè)角度進(jìn)行測(cè)量。通常，豎直方向和水平方向尺寸的比例是4：3，這個(gè)比例取決于照相機(jī)傳感器工作區(qū)域的尺寸。傳感器的大小對(duì)于確定無(wú)遮擋視場(chǎng)所需要的主要放大率（PMAG）是非常重要的。PMAG是由傳感器尺寸與FOV相比得到，是鏡頭的工作成效。當(dāng)確定鏡頭是否合適的時(shí)候，這一點(diǎn)需要考慮。

鏡頭放大率對(duì)于不同尺寸芯片照相機(jī)匹配鏡頭相當(dāng)重要，然而，不要把鏡頭放大率和顯微鏡放大率搞混了，后者是由光管長(zhǎng)度和實(shí)際物鏡焦距決定的。而鏡頭放大率主要考慮的是照相機(jī)傳感器的尺寸。

系統(tǒng)放大率（SMAG）是監(jiān)視器尺寸與傳感器尺寸的比例與PMAG的乘積結(jié)果。它是從物體到監(jiān)視器圖像的總體放大率，也就是整個(gè)系統(tǒng)的“工作”結(jié)果?？紤]物體的屏幕尺寸時(shí)，系統(tǒng)放大率是有用的。

物體的特性也很重要。鏡頭對(duì)于物體特征的解析能力依賴于特征的對(duì)比是否強(qiáng)烈。確定系統(tǒng)解析度、或者物體最小更解析特征的方法，可以使用諸如倫奇刻線法這樣的解像力方法。這些刻線法以線耦（等寬度的一條黑線和一條白線）來(lái)決定特征。其他的解像力方法還可以用圓圈和點(diǎn)狀網(wǎng)格。

鏡頭在指定光線條件下辨識(shí)特定寬度的線耦或者點(diǎn)距的能力，決定了它的解析度。解析度通常被模塊轉(zhuǎn)換功能（MTF）以圖像的方式顯示出來(lái)。圖形顯示了指定線耦頻率下可行的相對(duì)對(duì)比度。扭曲、色差和其他波前畸變都會(huì)影響曲線的斜率，使曲線偏離理想狀態(tài)或者衍射極限的光學(xué)表現(xiàn)。鏡頭方案有時(shí)候會(huì)以每毫米線耦數(shù)量（lp/mm）為單位列出物體解析度，再將這個(gè)值除以1000就可以預(yù)測(cè)出鏡頭每微米的物體解析度。

在進(jìn)行表面剖析的時(shí)候，通常不只使用一臺(tái)照相機(jī)和鏡頭，而了解鏡頭的內(nèi)在偏差（aberration）量也是有價(jià)值的。偏差是指鏡頭里的光學(xué)誤差，可以引起同一張圖片里不同點(diǎn)的圖像質(zhì)量差異。剖析通常包括激光線和其他圖像里的光線，這樣可以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。一些軟件程序可以消除諸如鏡頭引起的扭曲之類的誤差，所以在最終圖像里只有剖析數(shù)據(jù)是明顯的。

大型格式和區(qū)域掃描照相機(jī)鏡頭是控制應(yīng)用優(yōu)秀的解決方案，因?yàn)樗哂懈呓馕龆取⒌团で陀邢奚?。大范圍FOV和兼容性，以及大型格式傳感器，使這些鏡頭在Web、LCD、食品和飲料行業(yè)的應(yīng)用具有很高的價(jià)值。

 

鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)性能的主要決定因素。

距離約束

自動(dòng)化機(jī)器視覺系統(tǒng)和裝配線所需的空間差異很大，可以只有幾米，也可能需要一整座廠房。所謂的工作距離，是指當(dāng)圖像在焦距范圍內(nèi)的時(shí)候，物體和照相機(jī)鏡頭前端的距離。它限制了視覺系統(tǒng)以及和視覺系統(tǒng)一起工作的設(shè)備所需要的空間。有一些應(yīng)用，比如通過(guò)真空爐端口觀察，工作距離非常靈活，近焦鏡頭和長(zhǎng)工作距離視頻顯微鏡頭都可以使用。其他的應(yīng)用，比如強(qiáng)電微觀檢測(cè)，工作距離就只有幾個(gè)英寸。

在極限范圍內(nèi)，通過(guò)鏡頭重新對(duì)焦，可以改變工作距離。無(wú)限共軛鏡頭的對(duì)焦距離可以從最小工作距離一直到無(wú)限遠(yuǎn)，有限共軛鏡頭則有一個(gè)特定工作距離范圍。

存放和加載限制，包括用于艱苦環(huán)境的保護(hù)外殼，必須具有足夠的柔性，可以根據(jù)工作距離進(jìn)行調(diào)整。比如在很多安裝場(chǎng)合，感興趣的產(chǎn)品區(qū)域和產(chǎn)品線可能在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)生變化，這就要求視覺系統(tǒng)和視覺元件可以根據(jù)若干種傳感條件進(jìn)行調(diào)整。很多照相機(jī)鏡頭需要平穩(wěn)加載，但是當(dāng)物體空間（物體和鏡頭之間的距離）受到限制，改變像空間（image space，鏡頭與圖像之間的距離），就可以改變工作距離。

像空間可以使用兩種方式進(jìn)行改變：通過(guò)縮放功能或者隔離。縮放鏡頭可以調(diào)整照相機(jī)系統(tǒng)的視場(chǎng)，而不需要改變工作距離。一些縮放系統(tǒng)的元件可以定制組成特殊型號(hào)的系統(tǒng)。度量衡和顯微應(yīng)用需要以微米為單位進(jìn)行放大，這些鏡頭系統(tǒng)可以同顯微鏡下的物體對(duì)應(yīng)?？s放鏡頭保持著高解析度，但是成本高昂。另外一種方案，鏡頭隔離器十分經(jīng)濟(jì)，并且可以縮短工作距離、減小鏡頭的可視范圍。然而不幸的是，這會(huì)帶來(lái)扭曲同時(shí)降低解析度。因此，除非空間調(diào)整是在5mm之內(nèi)或者鏡頭的設(shè)計(jì)就帶有隔離器，否則隔離器不是一個(gè)推薦的方案。

存放和加載限制，包括用于艱苦環(huán)境的保護(hù)外殼，必須具有足夠的柔性，可以根據(jù)工作距離進(jìn)行調(diào)整。比如在很多安裝場(chǎng)合，感興趣的產(chǎn)品區(qū)域和產(chǎn)品線可能在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)生變化，這就要求視覺系統(tǒng)和視覺元件可以根據(jù)若干種傳感條件進(jìn)行調(diào)整。很多照相機(jī)鏡頭需要平穩(wěn)加載，但是當(dāng)物體空間（物體和鏡頭之間的距離）受到限制，改變像空間（image space，鏡頭與圖像之間的距離），就可以改變工作距離。

像空間可以使用兩種方式進(jìn)行改變：通過(guò)縮放功能或者隔離。縮放鏡頭可以調(diào)整照相機(jī)系統(tǒng)的視場(chǎng)，而不需要改變工作距離。一些縮放系統(tǒng)的元件可以定制組成特殊型號(hào)的系統(tǒng)。度量衡和顯微應(yīng)用需要以微米為單位進(jìn)行放大，這些鏡頭系統(tǒng)可以同顯微鏡下的物體對(duì)應(yīng)。縮放鏡頭保持著高解析度，但是成本高昂。另外一種方案，鏡頭隔離器十分經(jīng)濟(jì)，并且可以縮短工作距離、減小鏡頭的可視范圍。然而不幸的是，這會(huì)帶來(lái)扭曲同時(shí)降低解析度。因此，除非空間調(diào)整是在5mm之內(nèi)或者鏡頭的設(shè)計(jì)就帶有隔離器，否則隔離器不是一個(gè)推薦的方案。

 

這樣解析度和對(duì)比度都會(huì)受到不好的影響。出于這個(gè)原因，DOF同指定的解析度和對(duì)比度相配合。當(dāng)景深一定的情況下，DOF可以通過(guò)縮小鏡頭孔徑（也就是增加F/#值）來(lái)變大，同時(shí)也需要光線增強(qiáng)。

鏡頭的DOF范圍取決于有效焦距、可接受的模糊直徑。有一些鏡頭被設(shè)計(jì)成超焦或者可超焦的，這就意味著焦內(nèi)的遠(yuǎn)點(diǎn)可以拓展到無(wú)限遠(yuǎn)。這種技術(shù)通常應(yīng)用在定焦鏡頭上，景深效果很深，但是卻可以通過(guò)虹膜的幫助進(jìn)行調(diào)整。

不要把遠(yuǎn)心鏡頭和大景深鏡頭弄混了。遠(yuǎn)心鏡頭可以使機(jī)器視覺系統(tǒng)控制放大率、消除潛在誤差，所以同尺寸的物體在照片上高度都是一致的，無(wú)論它距離照相機(jī)有多遠(yuǎn)。這種鏡頭一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子是分析計(jì)算機(jī)電路板。遠(yuǎn)心鏡頭通常有一個(gè)工作距離范圍，在每一個(gè)工作距離點(diǎn)形成有限的景深。集成商在為一個(gè)項(xiàng)目選擇遠(yuǎn)心鏡頭的時(shí)候，既需要考慮工作距離范圍，還需要考慮景深效果。

在很多情況下，比如說(shuō)管道檢測(cè)，可以使用變焦鏡頭獲得較大的景深。變焦鏡頭和縮放鏡頭很類似，應(yīng)用在需要經(jīng)常變換焦距的場(chǎng)合。這些鏡頭經(jīng)常是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的，可以保證在對(duì)焦平面上平滑移動(dòng)。使用這樣的鏡頭，整個(gè)管道、每一個(gè)環(huán)節(jié)都可以掃描到，通過(guò)調(diào)整焦距來(lái)發(fā)現(xiàn)每個(gè)缺陷。然而，同縮放鏡頭不通，變焦鏡頭的工作距離也可以變化，可以根據(jù)需要進(jìn)行重新定位。

USAF目標(biāo)法展示了不同的寬度的倫奇刻線，可以衡量鏡頭的性能。

獨(dú)立平臺(tái)可以減少振動(dòng)

環(huán)境的重要性

機(jī)器視覺系統(tǒng)的環(huán)境因素包括物體反射系數(shù)、光線、溫度、振動(dòng)和污染物。物體的反射會(huì)導(dǎo)致高光，還可能使特征模糊。鏡頭外殼和遮光罩中的障板可以降低光散引起的高光現(xiàn)象。障板為不透明的圓片，為鏡頭的中心孔徑特別設(shè)計(jì)，可以限制到達(dá)傳感器的光線。極化或者散射光源同樣也可以避免物體反射出現(xiàn)的熱點(diǎn)。

光，尤其是單色光，可以使物體的對(duì)比度提高，使鏡頭圖像的質(zhì)量最大化。在使用黑白照相機(jī)的時(shí)候，對(duì)比度是非常重要的，可以通過(guò)加減過(guò)程產(chǎn)生。在加法過(guò)程中，單色光源和照相機(jī)鏡頭濾鏡同分析物體所在的媒介顏色相匹配，物體周圍的區(qū)域可以反射并且傳輸光線，所以顯得比物體更加明亮。這項(xiàng)技術(shù)在凝膠和彩色液體用作背光式觸摸屏或者微粒檢測(cè)的應(yīng)用很有價(jià)值。

相反，在減法系統(tǒng)中，濾鏡屏蔽了物體周邊的反射光，這使得物體看起來(lái)比周邊明亮。像藥丸檢測(cè)這樣的應(yīng)用，物體的顏色可能是它僅有的特征，這時(shí)候就要使用濾鏡。

高溫環(huán)境下，可能因?yàn)殓R頭里光學(xué)元件的熱膨脹出現(xiàn)問(wèn)題。并不是所有的鏡頭都可以適應(yīng)溫度變化，在檢測(cè)熱物體時(shí)，最好使用工作距離比較長(zhǎng)的鏡頭。

另外一個(gè)要考慮的因素是振動(dòng)。通常需要將鏡頭裝載到和照相機(jī)隔離的平臺(tái)和桌面上，來(lái)減少振動(dòng)。重型的照相機(jī)鏡頭總是帶有卡具，如果鏡頭不能直接裝在案板或者類似的隔離桌面上，那么就把裝載鏡頭的物體放在獨(dú)立平臺(tái)上吧。固定在獨(dú)立平臺(tái)上的機(jī)械手就經(jīng)常用來(lái)裝載照相機(jī)和鏡頭。

工業(yè)換件下的污染物會(huì)腐蝕鏡頭表面。極端環(huán)境光學(xué)（HEO）產(chǎn)品進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，即便是長(zhǎng)期暴露在嚴(yán)酷環(huán)境下，也可以提供高質(zhì)量的圖像。因?yàn)樗墓鈱W(xué)元件是嚴(yán)格密封的，HEO產(chǎn)品可以在水下使用，能夠抗腐蝕、防塵，并且不受機(jī)械影響。

照相機(jī)鏡頭對(duì)于機(jī)器視覺系統(tǒng)有著深遠(yuǎn)的影響。為了實(shí)際應(yīng)用選擇合適的鏡頭，機(jī)器視覺集成商必須對(duì)物體的尺寸、特征和反射率都要進(jìn)行分析。他/她還必須要估計(jì)工作距離范圍以及物體厚度所需要的景深。當(dāng)改變物體和圖像間隔的時(shí)候，集成商可以使用更加靈活的系統(tǒng)，也可以降低性能。所有的環(huán)境都是在不斷變化的，還要符合一定的要求，所以選擇一款合適的鏡頭非常重要。