一.镜头知识及远心镜头介绍

综述

机器视觉所需要的信息都是要通过镜头来搜集的，通过选用合适的镜头，可以减少系统图像处理的要求，提高系统性能和稳定性；如果镜头搜集信息有限，软件只负责处理，也无法纠正其信息；

一镜头的基本原理

图像处理就是对图像数据信息的处理，图像数据可以理解为非常的多的数字组成，这些数字不是无端生出的，而是将进入摄像原件的光转换成电子信号，并将其转换成数字数据进行处理；其中最重要的部分就是将光汇集到摄像元件的镜头；
镜头根据光的折射原理，可以将来自拍摄对象的光汇集到一点后成像，此时，汇集光线的点称为焦点，镜头中心到焦点的距离称为焦距，当镜头为凸透镜时，焦距将根据镜头的厚度（膨胀）程度不同而不相同，膨胀程度越大，焦距越短。

二镜头工作距离和视野

工作距离（WD）也称为物距，表示焦点对准拍摄对象时，镜头顶端到拍摄对象的距离。
视野（FOV）是工作距离范围的拍摄范围。相对于视野，使用镜头可以拍摄的范围的角度称为视角或者视野角

三景深（DOF）

在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。
在实际应用中，如果弥散圆的直径小于镜头的鉴别能力，在一定范围内实际影象产生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆。

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：在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。

景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以及对像质的要求有关。这些主要因素对景深的影响如下(假定其他的条件都不改变)：
镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；
镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；
拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

四镜头的主要参数焦距/倍率

镜头中心到焦点的距离称为焦距，镜头中有代表性的镜头焦距有8mm/16mm/25mm/50mm等；焦距是衡量镜头功能的基本参数，但是也不是所有镜头都用焦距来描述的；
镜头从视场角度来分，可以分为普通镜头/远心镜头/显微放大镜头等，只有普通镜头用焦距来描述的；其他的都是用倍率描述；

五 F数（f/#）

       在光学镜头中，装有一个大小可调的可变光圈。通过调节光圈可以控制进入镜头中的光能量。

相对孔径：镜头入射孔径与镜头焦距的比值。
F数：相对孔径的倒数，称为F数，表达光圈的大小，通常用F数来表示，如f1.8、f2.8等
F数可以决定图像的亮度，景深，镜头的分辨率（）；F数又称为镜头速度，F数小的镜头速度快。因为拍摄的曝光时间△t 正比于F数的平方。F数越大，速度越慢（不适合高速应用场合）。因为光圈小，需要更多的时间收集光源。但有较大的景深。
F数还能表征镜头的分辨率，F数越小，能分辨两点间的距离越小，即分辨率越高但景深很小。

六镜头分辨率

镜头清晰度是分辨细节的能力，严格意义上来说为解像率或分辨率，具体是指在成像平面上1毫米间距内能分辨开的黑白相间的线条对数，单位是“线对/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）。
镜头对黑白等宽的测试线对图并不是无限可分辨的。当黑白等宽的测试线对密度不高的时候，成像平面处黑白线条是很清晰的。当黑白等宽的测试线对密度提高时，在成像平面处还是可以分辨出黑白线条，但是白线已不是那么白了，黑线也不是那么黑了，白线黑线的对比度就会下降。当黑白等宽的测试线对密度提高到某一程度，在成像平面处黑白线的对比度非常小，黑白线条都变成了灰的中间色了，这就到了镜头分辨的极限；如图所示：

上图可以看出，一副清晰的图片，而另一张就显得模糊，就是因为分辨率达不到，从而无法显示细微之处，黑白的对比度不明显，就造成图像的模糊；

七光学尺寸

ccd芯片是将光信号转换成电信号的芯片，如在数码相机、摄像机中，将我们看到的光信号转换成电信号在经过处理，变成我们看到的数码照片。
而镜头光学尺寸指的是镜头最大能兼容多大CCD芯片尺寸，相机之所以能成像是因为镜头把物体反射的光线打到了CCD芯片上面。直白点说就是镜头的镜片直径（严格的说叫设计相面尺寸）要大于CCD芯片尺寸。一般常见镜头的相面尺寸有1/3英寸、1/2英寸、2/3英寸、1英寸等，其中1/3英寸和1/2英寸常用于监控行业，成本较低，分辨力也较低。下图是各种相面尺寸对应的实际尺寸。镜头光学尺寸选择的依据是镜头相面尺寸大于等于CCD尺寸即可。

八畸变

镜头有各种像差，例如球差、慧差、色差等等都会降低镜头的成像质量。为了校正这些相差，镜头的设计采用了各种办法，例如用两种不同的折射率光学材料校正色差等等，
因此，一个好的镜头可能设计使用11片透镜或更多。较差的镜头也有5到7片透镜，镜头本身的设计目标不同决定了各种像差消除的结果不同。
畸变则是由于放大率随到光轴中心的距离变化造成的，随着像点的远离，物体上对应的点离镜头中心的距离实际在增加，也就是说成像会聚的点在像面之前，像面上探测到的图像实际已经离焦，看起来就比原来的图像大。离轴线越远，这个现象越严重。这就造成了图像的畸变，根据每个镜头的特性，我们很容易校正畸变。
实际上，如果你用机器视觉来做精密的测量，你首先要做的就是畸变的校正。焦距越短，越难以校正畸变。（畸变矫正后期单文补充，目前还在学习中）

九镜头分类

按接口分类的话即：

C口：镜头的标准接口之一，镜头的接口螺纹参数：1”螺距。
1. CS接口：与C口的区别仅仅在于镜头定位面到图像传感器的距离不同，C接口是17.5mm,CS是12.5mm。C口的镜头配CS接口的相机需要增加一个5mm的接环。
F口：一般工业相机的CCD的尺寸超过1”时，使用F口。

按等焦距分：
4. 广角镜头：焦距小于50mm的镜头，特点是最小工作距离短，视角大，常常表现为桶形畸变。
5. 中焦距镜头：焦距介于广角镜头和长焦镜头之间的镜头。通常情况下畸变校正较好。
6. 长焦距镜头：焦距超过200mm的镜头。工作距离长，放大倍数大，畸变常常表现为枕形畸变。

按功能分
7. 变焦镜头：镜头的焦距可以调节，镜头的视角，视野可变。
8. 定焦镜头：镜头的焦距不能调节，镜头视角固定，聚焦位置和光圈可以调节。
9. 定光圈镜头：光圈不能调节，通常情况下聚焦也不能调节。

按视觉分：
普通镜头、远心镜头、显微镜头三种

远心镜头

主观误差，也叫视差，是我们每天都出现的问题。实际上，视差就是大脑阐析三维世界的结果。同样的物体，当靠近眼睛时，会比远离眼睛时显得大一点。这个现象也同样出现在传统的光学系统中，即当物距变大时，对物体的放大倍数也改变。
远心镜头则纠正了传统镜头的误差，它可以在一定距离内，看到的图像不会因为距离的变化而改变。

但为什么需要远心镜头？它的优缺点，限制是什么？对于许多应用，需要远心镜头是因为在一定工作范围内，它提供了恒定的放大倍率，消除了视差。也即物体的移动，无论是靠近还是远离镜头，不会影响图像放大倍率，图像不会因此而变大或变小。处于较深的物体或离光轴较远的物体不会显得翘起来。如右图。
远心镜头，可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。

远心镜头的优势

放大倍率稳定性
产品在不同的位置时近心镜头所呈现的成像大小是不一样的，对于尺寸检测的影响特别大。由于远心镜头特殊的光路设计，只有重心线平行于光机主轴时，才能被物镜捕获到。因此，前段远心镜头至少与产品检测面最大距离一样大。在物体保持一定的景深范围时，远心镜头获得的产品尺寸不会随物体位移而发生变化。
低畸变
畸变是由于主光线的光路偏离而引起的成像缺陷，是影响检测精度最严重的问题之一，正径向畸变被称为“枕形”畸变，负径向畸变被称为“桶形”畸变。由于普通光学器件的畸变，要获得精确测量十分困难，而高质量的远心镜头产生的畸变是十分的低，然后根据软件算法可以将其转换成无畸变图像。
视差消除
传统镜头具有角视场,因此随着镜头与物体之间的距离增加,放大倍率会降低，会导致视差,也称为透视误差,这会降低精度,因为如果物体移动,由于放大倍数的变化,视觉系统的观察测量值也会发生变化。远心镜头的放大倍数不会随着深度而变化，可消除传统镜头的视差特性。

对比可知相同物体右边图为运用远心镜头所拍摄；

有一个错误的概念是，很多人认为远心镜头比普通镜头有更大的DOF。
实际情况是，远心特性并不意味着大的DOF。DOF只与F数和分辨率有关。用远心镜头，图像仍然会从聚焦中心开始到边沿变得模糊，但他们是对称性地变模糊，这也是一个优点。只要物体在远心镜头的工作距离范围内，放大倍数不会变化。换句话说，即使物体靠近镜头，也不会显得比在远处时大。

未完待续；；；；；（接下章光源）