機(jī)器視覺工業(yè)鏡頭分類

光學(xué)鏡頭一般稱為攝像鏡頭或攝影鏡頭，簡稱鏡頭，也稱之為：工業(yè)鏡頭，其功能就是光學(xué)成像。鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的重要組件，對(duì)成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用，它對(duì)成像質(zhì)量的幾個(gè)最主要指標(biāo)都有影響，包括：分辨率、對(duì)比度、景深及各種像差。鏡頭不僅種類繁多，而且質(zhì)量差異也非常大，但一般用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)往往對(duì)鏡頭的選擇重視不夠，導(dǎo)致不能得到理想的圖像，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)失敗。本文的目的是通過對(duì)各種常見鏡頭的分類及主要參數(shù)介紹，總結(jié)各種因素之間的相互關(guān)系，使讀者掌握機(jī)器視覺系統(tǒng)中鏡頭的選用技巧。

工業(yè)鏡頭是集聚光線，使膠卷能獲得清晰影像的結(jié)構(gòu)。早期的鏡頭都是由單片凸透鏡所構(gòu)成。因?yàn)榍逦炔患?，又?huì)產(chǎn)生色像差，而漸被改良成復(fù)式透鏡，即以多片凹凸透鏡的組合，來糾正各種像差或色差，并且借著鏡頭的加膜(coating)處理，增加進(jìn)光量，減少耀光，使影像的素質(zhì)大大的提高。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合鏡頭可分為以下幾種：

? 廣角鏡頭：視角90度以上，觀察范圍較大，近處圖像有變形。
? 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭：視角30度左右，使用范圍較廣。
? 長焦鏡頭：視角20度以內(nèi)，焦距可達(dá)幾十毫米或上百毫米。
? 變焦鏡頭：鏡頭焦距連續(xù)可變，焦距可以從廣角變到長焦，焦距越長成像越大。
? 針孔鏡頭：用于隱蔽觀察，經(jīng)常被安裝在如天花板或墻壁等地方。

根據(jù)有效像場(chǎng)的大小劃分

把攝影鏡頭安裝在一很大的伸縮暗箱前端，并在該暗箱后端安裝一塊很大的磨砂玻璃。當(dāng)將鏡頭光圈開至最大，并對(duì)準(zhǔn)無限遠(yuǎn)景物調(diào)焦時(shí)，在磨砂玻璃上呈現(xiàn)出的影像均位于一圓形面積內(nèi)，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最大像場(chǎng)。在這個(gè)最大像場(chǎng)范圍的中心部位，有一能使無限遠(yuǎn)處的景物結(jié)成清晰影像的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域稱為清晰像場(chǎng)。照相機(jī)或攝影機(jī)的靶面一般都位于清晰像場(chǎng)之內(nèi)，這一限定范圍稱為有效像場(chǎng)。由于視覺系統(tǒng)中所用的攝像機(jī)的靶面尺寸有各種型號(hào)，所以在選擇鏡頭時(shí)一定要注意鏡頭的有效像場(chǎng)應(yīng)該大于或等于攝像機(jī)的靶面尺寸，否則成像的邊角部分會(huì)模糊甚至沒有影像。

　　根據(jù)有效像場(chǎng)的大小，一般可分為如下幾類：

根據(jù)焦距分類

根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦距鏡頭和變焦距鏡頭兩大類。依據(jù)焦距的長短，定焦距鏡頭又可分為魚眼鏡頭、短焦鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、長焦鏡頭四大類。需要注意的是焦距的長短劃分并不是以焦距的絕對(duì)值為首要標(biāo)準(zhǔn)，而是以像角的大小為主要區(qū)分依據(jù)，所以當(dāng)靶面的大小不等時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距大小也不同。變焦鏡頭上都有變焦環(huán)，調(diào)節(jié)該環(huán)可以使鏡頭的焦距值在預(yù)定范圍內(nèi)靈活改變。變焦距鏡頭最長焦距值和最短焦距值的比值稱為該鏡頭的變焦倍率。變焦鏡頭有可分為手動(dòng)變焦和電動(dòng)變焦兩大類。
　　變焦鏡頭由于具有可連續(xù)改變焦距值的特點(diǎn)，在需要經(jīng)常改變攝影視場(chǎng)的情況下非常方便使用，所以在攝影領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。但由于變焦距鏡頭的透鏡片數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以最大相對(duì)孔徑不能做得太大，致使圖像亮度較低、圖像質(zhì)量變差，同時(shí)在設(shè)計(jì)中也很難針對(duì)各種焦距、各種調(diào)焦距離做像差校正，所以其成像質(zhì)量無法和同檔次的定焦距鏡頭相比。

　　實(shí)際中常用的鏡頭的焦距是從4毫米到300毫米的范圍內(nèi)有很多的等級(jí)，如何選擇合適焦距的鏡頭是在機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的一個(gè)主要問題。光學(xué)鏡頭的成像規(guī)律可以根據(jù)兩個(gè)基本成像公式牛頓公式和高斯公式來推導(dǎo)，對(duì)于機(jī)器視覺系統(tǒng)的常見設(shè)計(jì)模型，我們一般是根據(jù)成像的放大率和物距這兩個(gè)條件來選擇合適焦距的鏡頭的，在此給出一組實(shí)用的計(jì)算公式：

根據(jù)鏡頭接口類型劃分

鏡頭和攝像機(jī)之間的接口有許多不同的類型，工業(yè)攝像機(jī)常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、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(zhì)量并無直接關(guān)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(zhuǎn)接口

C 接口和CS接口是工業(yè)攝像機(jī)最常見的國際標(biāo)準(zhǔn)接口，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(qū)別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。所以CS型接口的攝像機(jī)可以和C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用C口鏡頭時(shí)需要加一個(gè)5mm的接圈；C型接口的攝像機(jī)不能用CS口的鏡頭。

F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標(biāo)準(zhǔn)，所以又稱尼康口，也是工業(yè)攝像機(jī)中常用的類型，一般攝像機(jī)靶面大于1英寸時(shí)需用F口的鏡頭。 V接口鏡頭是著名的專業(yè)鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標(biāo)準(zhǔn)，一般也用于攝像機(jī)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(tǒng)所用，但由于現(xiàn)在的攝像機(jī)的像元尺寸已經(jīng)做到3微米以內(nèi)，所以一般成像比例大于2:1時(shí)也會(huì)選用顯微鏡頭。 微距鏡頭（Macro），一般是指成像比例為2:1～1:4的范圍內(nèi)的特殊設(shè)計(jì)的鏡頭。在對(duì)圖像質(zhì)量要求不是很高的情況下，一般可采用在鏡頭和攝像機(jī)之間加近攝接圈的方式或在鏡頭前加近拍鏡的方式達(dá)到放大成像的效果。 遠(yuǎn)心鏡頭（Telecentric），主要是為糾正傳統(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，這對(duì)被測(cè)物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。

紫外鏡頭（Ultraviolet）和紅外鏡頭（Infrared），一般鏡頭是針對(duì)可見光范圍內(nèi)的使用設(shè)計(jì)的，由于同一光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同波長的光線折射率的不同，導(dǎo)致同一點(diǎn)發(fā)出的不同波長的光成像時(shí)不能會(huì)聚成一點(diǎn)，產(chǎn)生色差。常用鏡頭的消色差設(shè)計(jì)也是針對(duì)可見光范圍的，紫外鏡頭和紅外鏡頭即是專門針對(duì)紫外線和紅外線進(jìn)行設(shè)計(jì)的鏡頭。

鏡頭結(jié)構(gòu)：
　　鏡頭結(jié)構(gòu)可以理解為鏡頭的構(gòu)造，其主要是由鏡片構(gòu)成的。目前任何一款相機(jī)的鏡頭都不可能是由一塊鏡片組成，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭和功能型附加鏡頭都是如此。一個(gè)鏡頭往往是由多塊鏡片構(gòu)成，根據(jù)需要這些鏡片又會(huì)組成小組，從而把要拍攝的對(duì)象盡可能清晰、準(zhǔn)確的還原。
　　鏡頭的結(jié)構(gòu)主要指的是構(gòu)成鏡頭的鏡片數(shù)目情況。由于不同廠商、不同產(chǎn)品采用的技術(shù)是不同的，因此絕不能簡單的認(rèn)為鏡片的數(shù)目多好還是數(shù)目少好。
　　除了鏡片的數(shù)目之外，鏡頭的材質(zhì)也是鏡頭結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。目前鏡頭的材質(zhì)一般可以分為兩類：玻璃和塑料。這兩種材質(zhì)是和鏡頭生產(chǎn)商所采用的技術(shù)和特點(diǎn)有關(guān)的，兩種材質(zhì)并無優(yōu)劣之分。兩種材質(zhì)的鏡頭也都有各自的特點(diǎn)：比如玻璃鏡頭穩(wěn)重、塑料鏡頭輕巧。