機(jī)器視覺之鏡頭基礎(chǔ)知識

1、深圳稻草人自動化培訓(xùn) 聯(lián)為智能教育鏡頭基礎(chǔ)知識光學(xué)鏡頭的主要參數(shù) 焦距 主點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離稱為光學(xué)系統(tǒng)的焦距，這是鏡頭的重要參數(shù)之一，它決定了像與實(shí)際物體之間的比例。在物距一定的情況下，要得到大比例的像，則要求選用長焦距的鏡頭。如圖2所示，自物方主點(diǎn)H到物方焦點(diǎn)F的距離稱為物方焦距或前焦距f；類似地，自像方主點(diǎn)H '到物方焦點(diǎn)F '的距離稱為物方焦距或前焦距f '。其定義具有方向性，如果主點(diǎn)到焦點(diǎn)的方向與光線的方向一致，則焦距為正；反之則為負(fù)。圖2中所示的情況，像方焦距f '>0，物方焦距f '<0。如果系統(tǒng)兩側(cè)的介質(zhì)相同，

2、則f '=-f。 相對孔徑與光圈數(shù)F數(shù) 相對孔徑為入瞳直徑與焦距的比值D/f  ' ，它主要影響像面的照度，照相鏡頭像面的照度與相對孔徑的平方成正比。為了滿足景物較暗時(shí)攝影的需要，或者為了對高速運(yùn)動物體攝影，要求采用很短的曝光時(shí)間，它們都要求提高像面的照度，因此就需要采用大的相對孔徑。鏡頭通常采用光圈數(shù)F來表示通光孔徑的大小，光圈數(shù)F數(shù)為相對孔徑的倒數(shù)，即F=f  ' / D 視場角（FOV：Field of view）與像面尺寸 鏡頭的視場角決定了被拍攝景物的范圍。由于攝影系統(tǒng)一般是對遠(yuǎn)處

3、景物成像，所以其像面通常位于焦平面附近，因此像面大小與視場角2W ' 的關(guān)系可表示為公式y(tǒng) ' =f ' tanW '公式中y ' 應(yīng)該是像面區(qū)域的半徑。目前，工業(yè)相機(jī)通常使用CCD或者CMOS傳感器作為像面接收器，有面陣和線陣兩種，其工作區(qū)域的形狀分別為矩形或線形，傳感器的工作區(qū)域必須包含在鏡頭所確定的像面圓形區(qū)域之內(nèi)。在鏡頭的參數(shù)中，也經(jīng)常使用傳感器的大小來表示視場大小。面陣傳感器是由許多像素單元組成的一個(gè)矩形陣列，每個(gè)像素單元都是一個(gè)方形傳感器。面陣傳感器的大小通常是以其對角線的長度來表示的。目前常用的面陣傳

4、感器有： 1英寸2/3英寸1/2英寸1/3英寸1/4英寸對角線(mm)1611864幅面尺(mm)12.8×9.68.8×6.66.4×4.84.8×3.63.6×2.7線陣傳感器也是由許多像素單元組成，與面陣傳感器不同的是，這些像素單元排成一個(gè)單列。線陣傳感器的大小則是以像素單元的數(shù)量和大小來表示的。線陣傳感器的規(guī)格有1K、2K、4K、8K、12K等，像素單元有5µm、7µm、10µm、14µm等。對于同一個(gè)傳感器，長焦距的鏡頭只能有較小的視場角，能對遠(yuǎn)處景物拍攝得比較大的像，適宜于遠(yuǎn)距離攝影

5、，故常稱之為望遠(yuǎn)鏡頭；而短焦距的鏡頭則有較大的視場角，能將近處較大范圍內(nèi)的景物攝入像面，故又稱之為廣角鏡頭，視場角更大的又稱為魚眼鏡頭；介于二者之間，焦距屬于中等，約等于幅面對角線長度的鏡頭，稱之為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。 工作波長 光學(xué)鏡頭都是針對一定波長范圍內(nèi)的光波工作，自物面發(fā)出的光波，在此波長范圍內(nèi)的，能夠通過鏡頭在像面上成一清晰像，而且能量衰減較??；而在此范圍外的光波，則難以校正像差，成像質(zhì)量差，分辨率低，而且能量衰減很大，甚至被光學(xué)介質(zhì)材料所吸收，完全不能通過鏡頭。光就其本質(zhì)來說就是電磁波，按照波長通常將其劃分成不同的光譜波段，如下表所示：波  段符號波長(nm)紫

6、外(UV)100380真空紫外VUV100200遠(yuǎn)紫外FUV200280中紫外Middle UV280315近紫外Near UV315380可見(VIS)380780紫Violet380424藍(lán)Blue424486藍(lán)綠Blue green486517綠Green517527黃綠Yellow green527575黃Yellow575585橙Orange585647紅Red647780紅外(IR)780nm1mm近紅外NIR780nm-3mm中紅外MIR3mm-50mm遠(yuǎn)紅外FIR50mm-1mm 分辨率 分辨率是評價(jià)鏡頭質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，定義為在像面除鏡頭在單位毫米內(nèi)能夠

7、分辨開的黑白相間的條紋對數(shù)，如圖4所示，圖4 分辨率條紋分辨率為1/2d，其中，d為線寬。分辨率的單位為為lp/mm（線對/毫米）。在理想成像鏡頭的焦平面上能分辨開來的二條紋之間的相應(yīng)間距其倒數(shù)即為理想鏡頭的分辨率公式中，為中心波長，單位為毫米?？梢?，理想鏡頭的分辨率完全由相對孔徑所決定，相對孔徑越大，F(xiàn)/#越小，分辨率就越高。按此公式?jīng)Q定的只是視場中心的分辨率，在視場邊緣，由于成像光束的孔徑角比軸上點(diǎn)小，因此分辨率有所降低。實(shí)際的攝影鏡頭，由于有比較大的剩余像差，其分辨率要比理想鏡頭的分辨率低得多。因此，通常使用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF：Modulation Transfer Function）

8、來表征鏡頭的實(shí)際分別率。調(diào)制傳遞函數(shù)MTF定義為在一定空間頻率時(shí)像面對比度與物面對比度之比，這里空間頻率以單位毫米內(nèi)的線對數(shù)來表示，其單位為lp/mm。對于一個(gè)鏡頭，不同的空間頻率處的MTF是不同的，一般來說，隨著空間頻率的增大，MTF越來越小，直至為零，MTF為零時(shí)的空間頻率稱為鏡頭的截止頻率。一些鏡頭廠家為了表示方便，通常也以鏡頭的截止頻率來替代MTF，用以表示鏡頭的分辨率。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，系統(tǒng)使用面陣或線陣傳感器作為成像器件，因此系統(tǒng)的分辨率通常也會受到成像傳感器中像元分辨率的限制。像元分辨率定義為單位毫米內(nèi)像素單元數(shù)的一半，即其中p為像素單元的尺寸大小，例如一個(gè)CCD的像元尺寸大小為

9、5×5微米，則像元分辨率則為：傳感器的像元分辨率限制了系統(tǒng)的最高分辨率，即使鏡頭的分辨率再高，系統(tǒng)也不可能分辨高于像元分辨率的細(xì)節(jié)。然而在實(shí)際使用中，由于景深的存在，為了使鏡頭偏離對準(zhǔn)面仍然能夠成像清晰，因此，在選擇鏡頭時(shí)，通常要求鏡頭分辨率要略高于像元分辨率，這樣才能使系統(tǒng)的分辨率達(dá)到傳感器所限制的最高分辨率。 畸變對于理想光學(xué)系統(tǒng)，在一對共軛的物像平面上，放大率是常數(shù)。但是對于實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)，僅當(dāng)視場較小時(shí)具有這一性質(zhì)，而當(dāng)視場較大或很大時(shí)，像的放大率就要隨著視場而異，這樣就會使像相對于物體失去相似性。這種使像變形的成像缺陷稱為畸變?；兌x為實(shí)際像高y &#

10、39; 與理想像高y0 ' 之差y ' -y0 ' ，而在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常將其與理想像高y0 ' 之比的百分?jǐn)?shù)來表示畸變稱為相對畸變，即有畸變的光學(xué)系統(tǒng)，若對等間距的同心圓物面成像，其像將是非等間距的同心圓。當(dāng)系統(tǒng)具有正畸變時(shí)，實(shí)際像高y ' 隨視場的增大比理想像高y0 ' 增大得快，即放大倍率隨視場的增大而增大，則同心圓的間距自內(nèi)向外逐漸增大；反之，當(dāng)為負(fù)畸變時(shí)，圓的間距自內(nèi)向外逐漸減小。若物面為如圖5（a）所示的正方形網(wǎng)格，那么，由正畸變的光學(xué)系統(tǒng)所成的像呈枕形，如圖5（b）；由負(fù)畸變

11、光學(xué)系統(tǒng)所成的像呈桶形，如圖5（c）。圖中虛線所示是理想像。圖5 畸變畸變在光學(xué)系統(tǒng)中只引起像的變形，對像的清晰度并無影響。因此，對于一般的光學(xué)系統(tǒng)，只要感覺不出它所成像的變形，這種成像缺陷就無妨礙。但是對于某些要利用像來測定物體大小尺寸的應(yīng)用，畸變的影響就非常重要了，它直接影響測量精度，必須予以嚴(yán)格校正。 景深 當(dāng)把物鏡調(diào)焦到某一攝影對象時(shí)，在該對象的前后能在像面上呈清晰像的范圍，稱為景深。如圖6所示，景深就是1+2。像平面A為傳感器靶面所在平面，其共軛平面A為對準(zhǔn)平面。能在靶面上呈清晰像的最遠(yuǎn)平面，即物點(diǎn)B1所在的平面，稱為遠(yuǎn)景，能在靶面上呈清晰像的最近平面，即物點(diǎn)B2

12、所在的平面，稱為近景。物點(diǎn)B1、B2分別成像于靶面前后，投影到靶面上成為彌散斑，當(dāng)彌散斑小到一定程度時(shí)可認(rèn)為是清晰的像。 圖6 景深 景深的計(jì)算公式為：式中，1和2分別為遠(yuǎn)景深度和近景深度，p、p1和p2分別為調(diào)焦平面、遠(yuǎn)景平面和近景平面到物鏡的距離，f '為物鏡的焦距，F(xiàn)為物鏡的光圈數(shù)， 為像面上可允許的彌散圓直徑，在CCD或CMOS上其最小值為像元尺寸?？梢?，景深與物鏡的焦距、光圈大小和攝影距離有關(guān)。光圈越?。‵數(shù)越大），或攝影距離越大，景深就越大，但遠(yuǎn)景深度要比近景深度大。若在同一距離用同一光圈值攝影時(shí)，焦距短的鏡頭，具有大的景深；反之，長焦距鏡頭的

13、景深就小。 工作距離 在選擇鏡頭時(shí)，為了確定系統(tǒng)的空間尺寸，往往需要了解鏡頭工作時(shí)的物距、像距以及鏡頭的兩個(gè)主面之間的距離等參數(shù)。然而，物距、像距均是相對與鏡頭光學(xué)系統(tǒng)的主面位置而言的，而鏡頭的主面卻難以直接確定，因此物距、像距等參數(shù)也難以直接測量得到。于是，鏡頭廠家提出了工作距離這一參數(shù)，同時(shí)也給出了在該工作距離處鏡頭的放大倍率，以方便使用者確認(rèn)系統(tǒng)的空間尺寸。然而，目前對于工作距離的定義還沒有形成統(tǒng)一意見，主要有兩種定義。第一種定義是指被攝物體到相機(jī)底片的距離；另一種定義是指被攝物體到鏡頭前端面的距離。目前，大部分相機(jī)鏡頭廠家均采用第一種定義，因此，在沒有特殊說明的情況

14、下，手冊中給出的工作距離既是第一種定義。 相機(jī)接口 在光學(xué)系統(tǒng)中，最后一個(gè)光學(xué)鏡片表面的頂點(diǎn)到像面的距離稱為后截距（BFL：Back Focal Length），對于不同的光學(xué)系統(tǒng)，其后截距都是不一樣的。因此在安裝鏡頭時(shí)，需要調(diào)節(jié)鏡頭到相機(jī)的相對位置，使相機(jī)底片到鏡頭最后一面頂點(diǎn)的距離滿足后截距的要求，即使底片位于鏡頭的像平面上。相機(jī)接口即為相機(jī)和鏡頭的連接方式，同時(shí)也保證了相機(jī)和鏡頭的相對位置。早期的相機(jī)一般采用螺紋接口。隨著相機(jī)的不斷發(fā)展，接口需要傳遞更多的數(shù)據(jù)信息，螺紋接口已不能滿足相機(jī)的要求了。1959年，尼康、佳能、美能達(dá)這三大日本相機(jī)廠家各自推出了各自的相機(jī)接口

15、，隨后賓得、萊卡、奧林巴斯等其它廠家也相繼推出的自己的相機(jī)接口。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，相機(jī)功能不斷完善，各個(gè)廠家的相機(jī)接口也幾經(jīng)變換。目前，常用的一些接口類型如下表所示：接口類型法蘭后截距（mm）卡口環(huán)直徑（mm）使用卡口的品牌C口17.5261（inch） CS口12.51（inch） 4/3口38.5846.5Olympus、Panasonic、LeicaF口46.547NikonEF口44.054Canon EOSPK口45.548.5Pentax、RicohC/Y口45.548Contax、Yashica在上表中，法蘭后截距（Flange Back Focal Leng

16、th）是指相機(jī)接口的定位面到底片的距離，它保證了鏡頭的像面與相機(jī)的底片重合。這樣，不僅為相同接口的相機(jī)和鏡頭的連接提供了非常方便的方式，而且也為不同接口之間的相互轉(zhuǎn)換提供了依據(jù)。 光學(xué)系統(tǒng)的一些計(jì)算公式 在選擇鏡頭時(shí)，通常需要了解一些預(yù)先給出的條件，如物距或工作距離、放大倍率等，根據(jù)這些條件，可以大致近似推算出系統(tǒng)的一些主要參數(shù)，并以此作為選擇鏡頭的參考。根據(jù)上述的高斯公式和放大率公式，我們可以推出下面幾個(gè)常用公式物距             &

17、#160;           像距                         焦距            

18、60;            物高                         像高                          鏡頭選擇     在攝影光學(xué)系統(tǒng)中，鏡頭是重要的一個(gè)部