工业相机镜头

      镜头一般由光学系统和机械装置两部分组成，光学系统由若干透镜（或反射镜）组成，以构成正确的物像关系，并确保获得正确、清晰的影像，它是镜头的核心；而机械装置包括固定光学元件的零件（如镜筒、透镜座、压圈、连接环等）、镜头调节机构（如光圈调节环、调焦环等）、连接机构（比如常见的 C 接口、 CS 接口）等。此外，也有些镜头有自动调光圈、自动调焦或感测光强度的电子机构。

1．镜头的相关参数

      将焦距／、光圈系数（相对孔径）、对应最大 CCD 尺寸、接口、后背焦以及像差（如畸变、场曲等）看做镜头的内部参数，而将视场（ FOV )、数值孔径（ NA )、光学放大倍数（ M )、在精密分辨率（ Resolution ）工作距离（ WD ）和景深（ DOF ）看作镜头的外部参数。

     (1）焦距（ f )

      焦距是镜头到焦点的距离，是镜头的重要性能指标。镜头焦距的长短决面上1定着拍摄的成像大小、视场角大小、景深大小和画面的透视强弱。焦距越大成像越大。根据透镜的用途不同，焦距的大小也不同，常见的工业镜头焦距有5 mm 、8 mm 、12 mm 、25 mm 、35 mm 、50 mm 、75 mm 等。其计算公式为

                       f= (CCD 宽* WD) /物宽=（CCD 高*WD）/物高 

       WD 为工作距离（物距）。针对不同物距、不同物高的物体，根据 CCD 芯片的靶面尺寸计算得到镜头焦距如表所示。  

 (2）光圈系数（相对孔径）

        相对孔径的计算公式为：

        相对孔径=光圈直径D/焦距f

       相对孔径的倒数就是光圈系数，光圈系数一般以 F 数来表示。例如，如果镜头的相对孔径是1:2，那么其光圈系数也就是F2.0，相机的镜头上都会标写这一指标。常用的光圈系数为F1.4、F2.0、F2.8、F4.0、F5.6、F8.0、F11.0、F16.0、F22.0等几个等级。光圈系数的标称值越大，光圈越小，在单位时间内的通光量越小。有些视觉系统为了增加镜头的可靠性和降低成本，采用定光圈设计，即当光圈不能改变时，通过调整光源强度或相机增益来调整图像亮度。

(3）对应最大 CCD 尺寸

        最大 CCD 尺寸是指镜头成像直径可覆盖的最大 CCD 芯片尺寸，主要有1/2英寸、2/3英寸、1英寸和1英寸以上。

(4）接口

       接口是镜头与相机的连接方式，常用的接口包括 C 、 CS 、 F 、 V 、T2等。

(5）像差（比如畸变、场曲等）

       在机器视觉应用中最为关键的像差是畸变（变形率）和场曲（对于传感器接配的镜头来说，该参数已被严格校正）。畸变会影响测量结果，特别是在精密测量中，必须通过软件进行标定和补偿。

(6）分辨率（ Resolution )

       镜头的分辨率代表镜头记录物体细节的能力，是指在成像平面上1mm间距内，可分辨开的黑白相间的线条对数，单位是"线对／ mm "。镜头的分辨率越高，成像越清晰。镜头的分辨率不能和相机的分辨率混为一谈。

(7）数值孔径（ NA )

       数值孔径的计算公式为:

                                      NA = n · sin（a/2）

       式中： n 为物方介质折射率； a 为物方孔径角。数值孔径与其他光学参数有着密切的关系，它与分辨率及光学放大倍数成正比。也就是说，数值孔径直接决定了镜头的分辨率，数值孔径越大，分辨率越高，否则分辨率越低。

(8）视场（ FOV )

       视场是指镜头实际拍到的区域范围，其计算公式为：

                                       FOV = WD *CCD 尺寸/f

                               式中： f 为焦距，WD为工作距离

(9）光学放大倍数（ M )

      光学放大倍数等于芯片尺寸除以视场，即

                   M = CCD /FOV

(10）工作距离（ WD )

        工作距离即物距，指镜头最下端机械面到被测物体的距离。由于有些系统工作空间很小，因而要求镜头有较小的工作距离；但有的系统在镜头前需要安装光源或其他工作装置，因而必须有较大的工作距离保证空间。需要的工作距离越大，保持小视野的难度和成本就越高。

(11）后背焦（ Flange Distance )

       后背焦即后焦距，指相机接口平面到芯片的距离。简单来说，当安装上标准镜头（标准 C / CS 接口镜头）时，后背焦是使被拍摄物体的成像恰好在 CCD 图像传感器的靶面上的距离。在对线扫描镜头或大面阵相机的镜头选型时，后背焦是一个非常重要的参数，它直接影响镜头的配置。一般工业相机在出厂时都对后背焦做了适当的调整，因此，在配接定焦镜头的应用场合，一般不需要调整工业相机的后背焦。而在有些应用场合，如出现当镜头对焦环调整到极限位置仍不能使图像清晰时，如果镜头接口正确，则需要对工业相机的后焦距进行调整。

(12）景深（ DOF )

       景深是镜头的一个重要的外部参数，它表示满足图像清晰要求的远点位置与近点位置的差值，如图所示。

        前景深 △L1 、后景深 △L2 ，及景深 △L 的计算公式为：

                                         △L1=(F∂L²)  /  (f² +  F∂L)

                                         △L2=(F∂L²)  /  (f² -  F∂L)

                                    △L=△L1+△L2=(2f²∂L²) / (f² - F²∂²L²)

        式中、为焦距、 F 为光圈系数： L 为对焦距离。弥散圆的最大直径是个相对量，它的可接麦直控根大程度上取决于应用，因此，在实际视觉应用中，以实验和参考镜头给出的参考盘为主、简单地说、光圈越小、景深越大；焦距越短，景深越大；工作距离越远，景深越大

2、镜头的分类

1）按键头接口分类

       按接口的不同，镜头可分为 C - MOUNT 和 CS - MOUNT 。

( 1) C - MOUNT 

       C - MOUNT 即 C 接口镜头，是目前机器视觉系统中使用最广泛的镜头、具有重量轻、体积小、价廉、品种多等优点，它的接口螺纹参数为：公称直径＝1英寸，爆距＝32牙（1-32UN)。

(2) CS - MOUNT 

       CS - MOUNT 即 CS 接口，是为新的 CCD 相机而设计的。随着 CCD 集成度越来越高，相同分辨率的光敏阵列越来越小，设计的 CS - MOUNT 更适用于有效光敏传感器尺寸更小的相机。

      除了普遍的 C 接口和 CS 接口外，还有用于大分辨率面阵相机及线阵相机的 F 接M2接口，M72接口及用于靶面较大或特殊镜头的 V 接口。 F 接口是尼康镜头的接口标准，又称尼康口，一般靶面尺寸大约为1英寸的工业相机需要用 F 接口的镜头。

      C 接口和 CS 接口的区别仅仅在于镜头的安装基准面到焦点的距离不同。 C 接口的距离是17.526 mm ，而 CS 接口是12.5mm。它们之间相差约5mm。因此，具有 CS 接口的相机，可以与 C 接口或 CS 接口的镜头连接，但使用 C 接口镜头时需加装一个接圈；具有 C 接口的相机只能与 C 接口的镜头连接，而不能与 CS 接口的镜头连接，否则不但不能获得良好的聚焦，还有可能损坏 CCD 靶面（部分 C 接口相机可以拧掉接圈转换成 CS 接口）。但有一个例外，即 C 接口的3CCD相机不能和 C 接口的镜头协同工作。

2）按焦距类型分类

       按焦距的类型不同，镜头可分为定焦镜头和变焦镜头。

(1）定焦镜头

        定焦镜头特指只有一个固定焦距的镜头，它只有一个焦段，或者说只有一个视野，没有变焦功能。定焦镜头的设计相对变焦镜头而言要简单得多，但一般变焦镜头在变焦过程中对成像会有所影响，而定焦镜头的优点是对焦速度快，成像质量稳定。对于使用定焦镜头的数码相机，它所拍摄的运动物体图像清晰而稳定，对焦非常准确，画面细腻，颗粒感非常轻微，测光也比较准确。

(2）变焦镜头

        变焦镜头通过镜头中镜片之间相互移动，使镜头的焦距在一定范围内变化，从而在无需更换镜头的情况下，使 CCD 相机既可获得全景图像，又可获得局部细节图像。通过变换焦距，得到不同宽窄的视场角、不同大小的影像和不同景物范围的相机镜头。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围，因此非常有利于画面构图。

3）按焦距、视场角大小分类

        按焦距、视场角大小不同，镜头可分为标准镜头、长焦距镜头、鱼眼镜头、广角镜头、微距镜头。

(1）标准镜头

       标准镜头是视场角为50°左右的镜头的总称，它的透视效果自然，而且景角与人眼视觉中心相似，因而使用最为广泛。

(2）长焦距镜头

       一般焦距在60 mm 以上的镜头称为长焦距镜头，也可称为望远镜头。该镜头的工作距离长、放大倍数大，通常畸变表现为枕形失真。

(3）鱼眼镜头

       鱼眼镜头是一种焦距极短并且视角接近或等于180的镜头。

(4）广角镜头

        广角镜头是一种焦距短于标准镜头、视场角大于标准镜头、焦距大于鱼眼镜头、视场角小于鱼眼镜头的镜头。该镜头的特点是工作距离短，景深大，视场角大，通常畸变表现为桶形失真。

(5）微距镜头

       微距镜头是用于拍摄较小物体的镜头，它具有较大的镜头放大比。

 4）按光圈分类

       按光圈的不同，镜头可分为固定光圈式镜头、手动光圈式镜头、自动光圈式镜头等。在镜头中装有能控制光线输入量的可变光圈，可变光圈使镜头的相对孔径可以连续变化，以便适应对不同亮度物体的正确曝光。调节光圈的大小可以改变景深大小。所以，为了获得较大景深的效果，在照明许可的情况下，应尽可能加大照明强度，减小光圈。

5）按镜头伸缩调整方式分类

     按镜头伸缩调整方式的不同，镜头可分为电动伸缩镜头、手动伸缩镜头等。

3．远心镜头

        远心镜头（ Telecentric ）主要是为纠正传统工业镜头视差而设计的，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍数不会变化，这对被测物体不在同一物面上的情况是非常重要的。远心镜头由于其特有的平行光路设计，一直被对镜头畸变要求很高的机器视觉应用场合所青睐。下图就是一个远心镜头。

1）原理

       设计远心镜头的目的是消除由于被测物体（或 CCD 芯片）与镜头距离不一致，造成放大倍率不同的影响。远心镜头的设计原理有以下几个方面：

(1）物方远心光路设计原理及作用

      将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，物方主光线平行于光轴，主光线的会聚中心位于物方无限远处，该光路称为物方远心光路，其示意图如图所示。物方远心光路的作用是消除物方由于调焦不准确带来的读数误差。

(2）像方远心光路设计原理及作用。

       将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，像方主光线平行于光轴，主光线的会聚中心位于像方无限远处，该光路称为像方远心光路，其示意图如图所示。像方远心光路的作用是消除像方由于调焦不准引人的测量误差。

(3）双侧远心光路设计原理及作用

       双侧远心光路综合了物方、像方远心光路的双重作用，主要用于视觉测量领域，其示意图如图所示。

2）技术参数

(1）图像分辨率

      图像分辨率一般以量化图像传感器既有的空间频率对比度的 CTF （对比传递函数）衡量，单位为 lp / mm （每毫米线对数）。

(2）畸变系数

       畸变系数即实物大小与图像传感器成像大小的差异百分比。普通相机镜头通常有1%~2％的畸变，可能严重影响测量精度。相比之下，远心镜头通过严格的加工制造和质量检验，将畸变系数控制在0.1％以下。

(3）无透视误差

        在计量学应用中，当进行精密线性测量时，经常需要从物体标准正面（不包括侧面）观测。此外，许多机械零件无法精确放置，测量距离也随观测角度的变化而变化，所以会产生透视误差。而软件工程师需要的是能精确反映实物的图像，远心镜头可以完美解决以上问题，因为远心镜头入射光瞳可位于无穷远处，成像时只会接收平行光轴的主射线，不会产生透视误差。

(4）双远心设计与超宽景深

       双远心镜头不仅能利用光圈与放大倍数增强自然景深，而且有非远心镜头无可比拟的光学效果，即在一定的物距范围内移动物体时成像不变，亦即放大倍数不变。

3）远心镜头的选择

        远心镜头和相机的匹配选择原则和普通工业镜头相同，只要其镜头的规格大于或等于相机的靶面即可。使用过程中需注意，在远心镜头的物镜垂直下方区域内的像都是远心成像，而超出此区域的像就不是严格意义上的远心成像了，这点在实际的使用中一定要注意，否则会产生不必要的偏差。基于远心镜头的原理特征及独特优势，在以下六种情况下，最好选用远心镜头：

(1）需要检测有厚度的物体（厚度＞FOV直径/10）

(2）需要检测不在同一平面的物体。

(3）物体到镜头的距离未知。

(4）需要检测带孔径的三维物体。

(5）需要低畸变率且图像的亮度完全一致。

(6）缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到。

       根据使用情况（物体尺寸和需要的分辨率）选择物方尺寸（拍摄范围）合适的物方镜头和 CCD 或 CMOS 相机，同时结合像方尺寸（使用 CCD 的靶面大小）即可计算出放大倍数，然后选择合适的像方镜头。在选择过程中，还应注意景深指标的影响，因为像／物倍数越大，景深越小。为了得到合适的景深，可能还需要重新选择镜头。

4）与普通镜头对比

       在一定的物距范围内，远心镜头得到的图像放大倍数不会随物距的变化而变化；而对于普通工业镜头，目标物体越靠近镜头（工作距离越短），成像尺寸就越大。在使用普通镜头进行尺寸测量时，存在如下问题：

(1）由于被测量物体不在同一个测量平面内，因而造成放大倍数的不同。

(2）镜头畸变大。

(3）当物距变大时，对物体的放大倍数也改变。

(4）镜头的解析度不高。

(5）由于视觉光源的几何特性，造成图像边缘位置的不确定性。

远心镜头可以有效地解决上述问题，而且没有判断误差，因此可用于高精度测量。

4．工业镜头的选择

       工业相机镜头的选择过程，是将工业相机镜头各项参数逐步明确化过程。作为成像器件，工业相机镜头通常与光源、相机一起构成一个完整的图像采集系统，因此工业相机镜头的选择受到整个系统要求的制约。一般可以按以下几个方面来进行分析考虑。

1）波长及是否变焦

      工业相机镜头的工作波长和是否需要变焦比较容易确定。在成像过程中，若需要改变放大倍数，则采用变焦镜头，否则采用定焦镜头。

     关于工业相机镜头的工作波长，可见光波段较常见，也有其他波段的应用。确定工业相机的工作波长前需明确以下问题：

(1）是否需要另外采取滤光措施。

(2）选择单色光还是多色光。

(3）能否有效避开杂散光的影响。

2）特殊要求优先考虑

       结合实际应用的特点，若应用有特殊的要求，则应该先确定。例如是否有测量功能、是否需要使用远心镜头、成像的景深是否很大等。景深往往不被重视，但它却是任何成像系统都必须考虑的因素。

3）估算工作距离和焦距

      工作距离和焦距往往结合起来估算。一般地，可以先明确系统的分辨率，结合 CCD 像素尺寸得出放大倍数，再结合空间结构约束即可估算工作距离，进一步估算工业相机镜头的焦距。

4）像面大小和像质

      工业相机镜头的像面大小要与相机感光面大小兼容，遵循"大的兼容小的"的原则，即相机感光面不能超出镜头标示的像面尺寸，否则边缘视场的像质有损。简单地说，镜头的规格要大于或等于 CD 芯片尺寸，否则视场边缘会出现黑边。特别是在测量中，最好使用稍大规格的镜头，因为镜头往往在其边缘处失真最大，例如 CCD 芯片大小为1/2英十，则镜头的规格可以选择1/2英寸或2/3英寸；如果选择1/3英寸，则视场边缘会出现很大的暗角。对像质的要求主要关注 MTF 和畸变两项。在测量应用中，尤其应该重视畸变。

5）光圈和接口

     工业相机镜头的光圈主要影响像面的亮度。如果光照充足，则可以选择较小的光圈来增加景深，从而提高图像清晰度；如果光照不足，则可选择稍大的光圈。但在现在的机器视觉中，最终的图像亮度是由很多因素共同决定的，如光圈、相机增益、积分时间、光源等。所以，为了获得必要的图像亮度，有比较多的参数需调整。

      工业相机镜头的接口指它与相机的连接接口，若镜头的接口与相机的接口不能直接匹配，则需转接。下表为接口配套的原则。

                                                             接口配套原则表

【例】为硬币检测成像系统选配工业相机镜头。

约束条件：相机 CCD 尺寸为2/3英寸，像素尺寸为4.65μ m ，接口为 C 接口，工作距离大于200 mm ，系统分辨率0.05 mm 。光源采用白色 LED 光源。

基本分析如下：

(1）要求与白色 LED 光源配合使用，则镜头应是可见光波段。没有变焦要求，所以选择定焦镜头。

(2）由于用于工业检测，且带有测量功能，所以所选镜头的畸变要小。

(3）光学放大倍数：

 M =（4.65 um）/(0.05*1000um)=0.093 

焦距：

 f =(WD * M )/(M+1)=(200μ m *0.093)/(0.093+1)≈17mm

工作距离要求大于200 mm ，则选择的镜头焦距应该大于17 mm 。

(4）选择镜头的像面应该不小于 CCD 尺寸，即至少2/3英寸。

(5）镜头的接口要求是 C 接口，能配合相机使用。光圈暂无要求。

从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的"轮廓"：焦距大于17 mm ，定焦，可见光波段， C 接口，至少能配合2/3英寸 CCD 使用◇而且成像畸变要小。按照这些要求，可以进一步的挑选，如果多款镜头都能符合这些要求，则可以择优选用