機器視覺基礎知識——光學鏡頭概述及分類
光學鏡頭一般稱為攝像鏡頭或攝影鏡頭✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，簡稱鏡頭❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，其功能就是光學成像ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。鏡頭是機器視覺系統中的重要組件①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，對成像質量有著關鍵性的作用ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，它對成像質量的幾個*主要指標都有影響ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，包括：分辨率웃유ღ♋♂、對比度✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴、景深及各種像差✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。鏡頭不僅種類繁多ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ，而且質量差異也非常大ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，但一般用戶在進行系統設計時往往對鏡頭的選擇重視不夠⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，導致不能得到理想的圖像❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，甚至導致系統開發失敗✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴。本文的目的是通過對各種常見鏡頭的分類及主要參數介紹☾☽❄☃，總結各種因素之間的相互關系❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，使讀者掌握機器視覺系統中鏡頭的選用技巧✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴。
根據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⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，并在該暗箱后端安裝一塊很大的磨砂玻璃⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤。當將鏡頭光圈開至*大❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，并對準無限遠景物調焦時⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，在磨砂玻璃上呈現出的影像均位于一圓形面積內❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，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*大像場⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ。在這個*大像場范圍的中心部位㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，有一能使無限遠處的景物結成清晰影像的區域㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，這個區域稱為清晰像場㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。照相機或攝影機的靶面一般都位于清晰像場之內⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，這一限定范圍稱為有效像場⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯。由于視覺系統中所用的攝像機的靶面尺寸有各種型號☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；，所以在選擇鏡頭時一定要注意鏡頭的有效像場應該大于或等于攝像機的靶面尺寸⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，否則成像的邊角部分會模糊甚至沒有影像♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃。
根據有效像場的大小☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；，一般可分為如下幾類：
鏡頭類型 有效像場尺寸
電視攝像鏡頭 1/4英寸攝像鏡頭 3.2mm×2.4mm（對角線4mm）
1/3英寸攝像鏡頭 4.8mm×3.6mm（對角線6mm）
1/2英寸攝像鏡頭 6.4mm×4.8mm（對角線8mm）
2/3英寸攝像鏡頭 8.8mm×6.6mm（對角線11mm）
1英寸攝像鏡頭 12.8mm×9.6mm（對角線16mm）
電影攝影鏡頭 35mm電影攝影鏡頭 21.95mm×16mm（對角線27.16mm）
16mm電影攝影鏡頭 10.05mm×7.42mm（對角線12.49mm）
照相鏡頭 135型攝影鏡頭 36mm×24mm
127型攝影鏡頭 40mm×40mm
120型攝影鏡頭 80mm×60mm
中型攝影鏡頭 82mm×56mm
大型攝影鏡頭 240mm×180mm
根據焦距分類
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ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ。依據焦距的長短❣❦❧♡۵，定焦距鏡頭又可分為魚眼鏡頭①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯、短焦鏡頭ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ、標準鏡頭❣❦❧♡۵、長焦鏡頭四大類✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。需要注意的是焦距的長短劃分并不是以焦距的*值為首要標準❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，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☈⊙☉℃℉❅，其標準鏡頭的焦距大小也不同ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。變焦鏡頭上都有變焦環✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，調節該環可以使鏡頭的焦距值在預定范圍內靈活改變☾☽❄☃。變焦距鏡頭*長焦距值和*短焦距值的比值稱為該鏡頭的變焦倍率㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。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改變焦距值的特點✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，在需要經常改變攝影視場的情況下非常方便使用❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，所以在攝影領域應用非常廣泛①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯。但由于變焦距鏡頭的透鏡片數多❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣、結構復雜✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，所以*大相對孔徑不能做得太大❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，致使圖像亮度較低ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ、圖像質量變差⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，同時在設計中也很難針對各種焦距⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤、各種調焦距離做像差校正⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，所以其成像質量無法和同檔次的定焦距鏡頭相比✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅。 變焦距鏡頭 定焦距鏡頭
手動變焦 電動變焦 魚眼鏡頭 短焦鏡頭 標準鏡頭 長焦鏡頭
實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✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，如何選擇合適焦距的鏡頭是在機器視覺系統設計時要考慮的一個主要問題㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。光學鏡頭的成像規律可以根據兩個基本成像公式牛頓公式和高斯公式來推導①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，對于機器視覺系統的常見設計模型❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，我們一般是根據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
根據鏡頭接口類型劃分
鏡頭和攝像機之間的接口有許多不同的類型✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，工業攝像機常用的包括C接口❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣、CS接口✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴、F接口☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；、V接口✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴、T2接口❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣、徠卡接口⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤、M42接口ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ、M50接口等⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤。接口類型的不同和鏡頭性能及質量并無直接關系♀☿☼☀☁☂☄，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接口是工業攝像機*常見的國際標準接口⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，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17.5mm①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，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⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，只是使用C口鏡頭時需要加一個5mm的接圈⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓；C型接口的攝像機不能用CS口的鏡頭⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。
F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標準㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，所以又稱尼康口♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，也是工業攝像機中常用的類型ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，一般攝像機靶面大于1英寸時需用F口的鏡頭⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。
V接口鏡頭是**的專業鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標準㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，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⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，但由于現在的攝像機的像元尺寸已經做到3微米以內①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，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）⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，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）㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，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隨物距的變化而變化㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，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）❣❦❧♡۵，一般鏡頭是針對可見光范圍內的使用設計的①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，由于同一光學系統對不同波長的光線折射率的不同㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂，導致同一點發出的不同波長的光成像時不能會聚成一點①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，產生色差❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣。常用鏡頭的消色差設計也是針對可見光范圍的❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，紫外鏡頭和紅外鏡頭即是專門針對紫外線和紅外線進行設計的鏡頭⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。