機(jī)器視覺基礎(chǔ)知識(shí)——光學(xué)鏡頭概述及分類
光學(xué)鏡頭一般稱為攝像鏡頭或攝影鏡頭，簡(jiǎn)稱鏡頭，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)*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。
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*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*大像場(chǎng)。在這個(gè)*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：
鏡頭類型 有效像場(chǎng)尺寸
電視攝像鏡頭 1/4英寸攝像鏡頭 3.2mm×2.4mm（對(duì)角線4mm）
1/3英寸攝像鏡頭 4.8mm×3.6mm（對(duì)角線6mm）
1/2英寸攝像鏡頭 6.4mm×4.8mm（對(duì)角線8mm）
2/3英寸攝像鏡頭 8.8mm×6.6mm（對(duì)角線11mm）
1英寸攝像鏡頭 12.8mm×9.6mm（對(duì)角線16mm）
電影攝影鏡頭 35mm電影攝影鏡頭 21.95mm×16mm（對(duì)角線27.16mm）
16mm電影攝影鏡頭 10.05mm×7.42mm（對(duì)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(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(zhǎng)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(zhǎng)焦鏡頭四大類。需要注意的是焦距的長(zhǎng)短劃分并不是以焦距的*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*長(zhǎng)焦距值和*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*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。 變焦距鏡頭 定焦距鏡頭
手動(dòng)變焦 電動(dòng)變焦 魚眼鏡頭 短焦鏡頭 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭 長(zhǎng)焦鏡頭
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：
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(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)*常見的國(guó)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**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(zhǎng)的光線折射率的不同，導(dǎo)致同一點(diǎn)發(fā)出的不同波長(zhǎng)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。