机器视觉系统硬件3：镜头

本文记录机器视觉硬件学习内容，第三部分：镜头

本文的主要内容为镜头的光学原理、基本参数和选用原则。作为工程人员，应重点掌握镜头的基本参数和选用原则

1、光学系统的基本原理

1.1 主要名词解释

光心：光心是凸透镜的光学中心，即位于透镜中央的点。

主光轴：指通过光心垂直透镜的直线，也叫主轴，有且只有一条主轴。

焦点：平行于主光轴的光线，通过镜头后相交于一点，这一相交点称为焦点，有前焦点和后焦点。

焦平面：过焦点且垂直于系统主光轴的平面称焦平面。照相机内安装感光片的地方就是处在焦平面位置上。

主点：在厚透镜中，主光轴上存在一对共轭点，即P和P'。分别称为前主点和后主点。

主平面：平行于主光轴的一条入射光线穿过透镜后的折射光线会经过焦点，两条光线之延长线（红色虚线）会相交于一点，所有这类的交点构成一个曲面，即为主平面（黑色虚线）

共轭关系：在透镜的成像过程中，物与像之间是相互对应的，这种对应关系就是物与像的共轭关系

焦距：从物方主点P到主焦点的F之间的距离为前焦距 f（物方焦距），像方主点P'到像方焦点F'的距离为后焦距 f'（像方焦距）

物距及像距：物距为物方主点P到物平面的距离，像距为像方主点P'到像平面的距离。

1.2 薄透镜成像原理

大学物理光学实验的感觉。。。

机器视觉镜头是厚透镜，但是一般可以根据薄透镜的几何关系和参数计算，来作为选择镜头的依据。

凸透镜是折射成像，成的像可以是倒立、缩小的实像；倒立、等大的实像；倒立、放大的实像；正立、放大的虚像。如下表所示：

照相机或摄像机的镜头就是应用了表格中的第一行，物距大于两倍焦距的情况。

2、基本参数

镜头的主要参数有焦距、分辨率、工作距离、景深、视野范围、畸变量等。

分辨率：指在像面处镜头在单位毫米内能够分辨的黑白相间的条纹对数，受镜头结构、材质、加工精度等因素的影响。下图的分辨率为1/2d，其中，d为线宽。分辨率的单位为lp/mm（线对/毫米）。镜头和相机的分辨率影响最终成像的质量。

工作距离：一般指镜头前端到被测物体的距离，小于最小工作距离、大于最大工作距离的系统一般不能清晰成像。

景深：以镜头最佳聚焦时的工作距离为中心，前后存在一个范围，在此范围内镜头都可以清晰成像。景深受焦距和光圈的影响：镜头的焦距越短，景深的范围就越大，光圈越小，景深就越大

视野范围：图像采集设备所能够覆盖的范围，即和靶面上的图像所对应的物平面的尺寸。

焦距：镜头焦距与凸透镜的焦距概念略有不同，因为镜头是多个凸透镜组合而成的。焦距是从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离。根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。

畸变量：因凸透镜的固有特性造成的成像失真，无法完全消除。畸变像差只影响成像的几何形状，而不影响成像的清晰度

相对孔径：是指该镜头的入射光孔直径（用D表示）与焦距（用f表示）之比，即 D/f。

光圈：相对孔径的倒数称为光圈系数。

举个例子：VS-LDA15镜头：该镜头为低失真微距镜头，五百万像素以下、2/3"芯片对应，焦距为15mm，无限成像的时候，畸变率趋近于0%。其他参数见下表。

3、选用原则

在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将成像目标在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。

第一步选择合适的镜头接口

常用的镜头接口类型有C口、CS口、F口等，在选用镜头时要首先确定镜头的接口类型。

第二步，确定焦距

焦距是相机最主要的参数之一，一般先考虑焦距是否能够满足需求。根据系统的整体尺寸和工作距离，结合靶面尺寸和待测范围的比值可以计算出镜头的焦距

f = （h / H ）* L

第三步，确定靶面尺寸

镜头的靶面尺寸要大于相机的靶面尺寸，否则进光量可能会导致图像信息的缺损。

第四步，根据项目需求，综合考虑分辨率、畸变、景深等参数，根据光照环境确定光圈。

欢迎关注公众号：一刻AI

参考资料：

中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技术分公司机器视觉系统之镜头篇，张勇