前言

视觉系统的运作方式与你的视觉非常相似。你的眼睛是一个复杂的光学设备。它捕捉信息并将其发送到你的大脑，大脑对此有意义。

在机器视觉中，相机、灯光和镜头捕捉数据，并将数据发送到处理器，由视觉工具或算法进行解释。

1. 人类光学系统
   
2. 机器视觉系统
   

机器视觉系统构成-镜头

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镜头的分类

按照结构来分类

1. 固定光圈定焦镜头
   镜头只有一个可以手动调整的对焦调整环，左右旋转该环可使成像在 CCD靶面上的图像最清晰；没
   有光圈调整环，光圈不能调整，进入镜头的光通量不能通过改变镜头因素而改变，只能通过改变
   视场的光照度来调整。结构简单，价格便宜。

2. 手动光圈定焦镜头
   手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环，光圈范围一般从F1.2或F1.4到全关闭，
   能方便地适应被被摄现场地光照度，光圈调整是通过手动人为进行的。光照度比较均匀，价格较
   便宜

3. 自动光圈定焦镜头
   在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个齿轮合传动的微型电机，并从驱动电路引出 3或4芯
   屏蔽线，接到摄像机自动光圈接口座上。当进入镜头的光通量变化时，摄像机 CCD 靶面产生的电
   荷发生相应的变化，从而使视频信号电平发生变化，产生一个控制信号，传给自动光圈镜头，从
   而使镜头内的电机做相应的正向或反向转动，完成调整大小的任务。

4. 手动光圈变焦镜头
   焦距可变的，有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距，其可变比一般为2 ～3倍，
   焦距一般为3.6~8mm。实际应用中，可通过手动调节镜头的变焦环，可以方便地选择被监视地市场
   的市场角。但是当摄像机安装位置固定下以后，在频繁地手动调整变焦是很不方便的。因此，工
   程完工后，手动变焦镜头的焦距一般很少调整。仅起定焦镜头的作用。

5. 自动光圈电动变焦镜头
   与自动光圈定焦镜头相比增加了两个微型电机，其中一个电机与镜头的变焦环合，当其转动时可以
   控制镜头的焦距；另一电机与镜头的对焦环合，当其受控转动时可完成镜头的对焦。但是由于增
   加了两个电机且镜片组数增多，镜头的体积也相应增大

6. 电动三可变镜头
   与自动光圈电动变焦镜头相比，只是将对光圈调整电机的控制由自动控制改为由控制器来手动控制

按照视场大小来分类

按视场大小分：小视场镜头，普通镜头（约50度左右），广角镜头和特广角镜头（100-120度）

1. 标准镜头：
   视角约50度，也是人单眼在头和眼不转动的情况下所能看到的视角，所以又称为标准镜头。
   5mm相机的标准镜头的焦距多为40mm，50mm或55mm。120相机的标准镜头焦距多为80mm或75mm。CCD
   芯片越大则标准镜头的焦距越长。

2. 广角镜头：
   视角90度以上，适用于拍摄距离近且范围大的景物，又能刻意夸大前景表现强烈远近感即透
   视。35mm 相机的典型广角镜头是焦距28mm，视角为72度。120相机的50，40mm的镜头便相当于
   35mm相机的35，28mm的镜头

3. 长焦距镜头：
   适于拍摄距离远的景物，景深小容易使背景模糊主体突出，但体积笨重且对动态主体对焦不
   易。35mm 相机长焦距镜头通常分为三级，135mm以下称中焦距，135－500mm称长焦距，500mm 以
   上称超长焦距。120 相机的150mm的镜头相当于35mm相机的105mm镜头。由於长焦距的镜头过于笨
   重，所以有望远镜头的设计，即在镜头后面加一负透镜，把镜头的主平面前移，便可用较短的镜
   体获得镜体获得长焦距的效果

4. 反射式望远镜头：
   是另一种超望远镜头的设计，利用反射镜面来构成影像，但因设计的关系无法装设光圈，仅
   能以快门来调整曝光

5. 微距镜头（marcolens）：
   除作极近距离的微距摄影外，也可远摄

按接口类型分类

1. C型镜头
   法兰焦距是安装法兰到入射镜头平行光的汇聚点之间的距离。法兰焦距为17.526mm或0.690in。安装罗纹为：直径1in，32牙.in。镜头可以用在长度为0.512in (13mm)以内的线阵传感器。但是，由于几何变形和市场角特性，必须鉴别短焦镜头是否合用。如焦距为12.6mm的镜头不应该用长度大于6.5mm的线阵。如果利用法兰焦距尺寸确定了镜头到列阵的距离，则对于物方放大倍数小于20倍时需增加镜头接圈。接圈加在镜头后面，以增加镜头到像的距离，以为多数镜头的聚焦范围位 5－10％。镜头接长距离为焦距/物方放大倍数

2. CS型镜头
   加上5mm接圈（延长管），C型镜头可以用在CS型接口都相机

3. U型镜头
   一种可变焦距的镜头，其法兰焦距为47.526mm或1.7913in，安装罗纹为M42×1。主要设计作35mm照片应用（如国产和进口的各种135相机镜头），可用于任何长度小于 1.25in(38.1mm)的列阵。建议不要用短焦距镜头

4. 特殊镜头
   如显微放大系统。 要特别注意 CS和 C的差别，不同类型的camera 和 不同类型的 Len连接时，要定制转接环。国外很贵，不如自己加工。光学镜头的主要参数和评价 主要参数有焦距，视场，物距，光圈，快门等。 对于镜头最完善的评价莫过于MTF（ModulationTransferFunction）。但是由于像差（标定的原因），镜头的每个范围都有一个MTF值。这些范围指的是：
   （1）近轴部分，（2）离轴部分，（3）当光学系统存在不对称畸变时，上述两部分在不同方向上
   的子部分。每个部分对于不同的辐射能量波长范围，都有各自相应的MTF值。MTF是评价成像系统的最常用、最优的指标，也是指导机器视觉系统集成的最优指标

注意：
在数字图像处理领域，有一套含有两种接口规格（C mount和CS mount）的标准镜头
装配。由此产生了四种组合（见下图）。
其中之一不匹配：即CS mount镜头不能与Cmount相机一起使用。但是，如果您想为C S mo u n t相机安装Cmount镜头， 只需提前为相机旋上一个5毫米的近摄接圈

镜头的选择

市面上常见的相机芯片尺寸

注意：镜头选择需要遵循大尺寸镜头兼容小尺寸相机，镜头的尺寸需要比相机的芯片尺寸要大，不然会出现隧道效应，图像边缘部分会出现黑视场。

镜头的光学参数

焦距

焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。在照相机中是指从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。具有短焦距的光学系统比长焦距的光学系统有更佳聚集光的能力。

焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是有一个大的观测范围重要，如果要看细节，就选择长焦距镜头；如果看近距离大场面，就选择小焦距的广角镜头

光圈

光圈是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光量的装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用f值。对于已经制造好的镜头，我们不可能随意改变镜头的直径，但是我们可以通过在镜头内部加入多边形或者圆型，并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量，这个装置就叫光圈

光圈系数

光圈系数：即光通量，用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。每个镜头上都标有最大F值，例如6mm/F1.4代表最大孔径为4.29毫米。光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。镜头上光圈指数序列的标值为1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22等，其规律是前一个标值时的曝光量正好是后一个标值对应曝光量的2倍。也就是说镜头的通光孔径分别是1/1.4，1/2，1/2.8，1/4，1/5.6，1/8，1/11，1/16，1/22，前一数值是后一数值的根号2倍，因此光圈指数越小，则通光孔径越大，成像靶面上的照度也就越大。另外镜头的光圈还有手动（MANUAL IRIS）和自动光圈（AUTO IRIS）之分。配合摄像头使用，手动光圈适合亮度变化不大的场合，它的进光量通过镜头上的光圈环调节，一次性调整合适为止。自动光圈镜头会随着光线的变化而自动调整，用于室外、入口等光线变化大且频繁的场合

相对孔径

相对孔径：光学镜头的重要参数之一，用镜头的有效孔径和焦距之比表示。相对孔径是个比值。相对孔径的大小表示镜头纳光的多少。相对孔径的倒数称光孔号码或光圈系数。最大的相对孔径刻在镜头上。1：2.8 比 1：4要好些

视场角

视场角定义：光学系统成像范围的量度

视场角是指以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。通俗说，目标物体超过这个角就不会被收在镜头里

光学放大倍率

显示器放大倍率

景深

景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿着能够取得清晰图像的成像器轴线所测定的物体距离范围。通俗一些讲，在聚焦完成后，在焦点前后的范围内都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围，便叫做景深

光学变焦

光学变焦英文名称为Optical Zoom，数码相机依靠光学镜头结构来实现变焦。数码相机的光学变焦方式与传统35mm相机差不多，就是通过镜片移动来放大与缩小需要拍摄的景物在CCD或CMOS上面成像的大小，光学变焦倍数越大，能拍摄的景物就越远

镜头的分辨率

镜头的分辨率 描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变，但对用户而言，需要了解
的仅仅是镜头的空间分辨率，以每毫米能够分辨的黑白条纹线对为计量单位，计算公式为：镜头分辨
率N＝视野总线数/2/画幅格式(L/W)。如500W像素镜头，2/3’传感器，则有2448/2/8.8=139线对/毫米。

另外还有计算公式：显微镜镜头分辨率（um）=0.61λ/NA, λ为波长，物体侧的数值孔径 NA =
sin u * n，成像侧的NA‘ = sin u‘* n’；照相镜头分辨率=1.22f λ/D；望远镜分辨率=1.22f/D(弧度）。

镜头像差

球差（球面像差）

球差的产生是由于远离光轴的光线与近轴光线并不交于一点，这是因为球面镜头边缘的折射增大造成的。无论像平面在哪里，都会有一个弥散圆，只能使这个圆尽量小。

减小球差的一个办法就是使用较大的f系数，使用较小的通光光圈可以阻止远离光轴的光线通过镜头。但是由于衍射的存在，无法使孔径光阑无限小。另外一种方法就是在镜头中使用非球面代替球面，这样的镜头称为非球面镜头

慧差

与光轴成一定角度的光线通过镜头后不聚于 与光轴成一定角度的光线通过镜头后不聚于一点。在这种情况下，像不是圆形的而是类 一点。在这种情况下，像不是圆形的而是类似彗星形状。

与球差不一样，彗差是非对称的。 与球差不一样，彗差是非对称的。

可通过较大的f系数来减少彗差。 系数来减少彗差

场曲

场曲又称“像场弯曲”。当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想像点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的像点，但整个像平面则是一个曲面。这样在镜头里不能同时看清整个像面，给观察和照相造成困难。因此研究用显微镜的物镜一般都是平场物镜，这种物镜已经矫正了场曲。

在一个平坦的影象平面上, 影像的清晰度从中央向外发生变化,聚焦形成弧型, 就叫场曲. 原因是中心离镜头近,周边离镜头远，一般拍照团体人像,安排成弧型,就是纠正这一缺点

畸变

物体上的直线经过透镜成像后变成弯曲的现象。畸变是由于透镜的放大率随光束和主轴间所成角度改变而引起。光线离主轴越远，畸变越大，但是若与主轴正交并通过主轴，则不发生畸变。放大率随入射角度增加而增大时称正畸变；放大率随入射角度增加而减小时负畸变。换句话说，若物点离开光轴越远，放大率越大，就产生正畸变，如果物点离开光轴越远，放大率越小则产生负畸变。特别是镜片屈光度大时，像的畸变现象严重。由于畸变，看物体，像失去了原来的正确形状。减小畸变的方法是，对单一透镜改变镜片的外形，采用最佳的外形可以使畸变减小到最小程度。仅与物高三次方成正比的像差。若仅有畸变，得到的像是清晰的，只是像的形状与物不相似

下图为两种畸变方式：

色差

由于透射材料折射率随波长变化，造成物点发出的不同波长的光线通过光学系统后不会聚在一点，而成为有色的弥散斑。它仅出现于有透射元件的光学系统中。按照理想像平面上像差的线大小与物高的关系，可区分为：

①位置色差（又称纵向色差、中轴色差）：与物高无关的像差，即不同波长的光线经由光学系统后会聚在不同的焦点。

②横向色差（又称倍率色差、边缘色差）：与物高一次方成正比的像差。它使不同波长光线的像高不同，在理想像平面上物点的像成为一条小光谱。

这是两种最基本的色差，由于波长不同还会引起单色像差的不同，这称为色像差，如色球差、色彗差等。如果物平面处在无穷远,上述物高应换为物点的视角(即它和光轴的夹
角)

镜头选型

在进行镜头选型时，我们需要了解以下参数：

1. 视野FOV大小：目标物的大小
2. 工作距离WD：镜头前端到目标物体的距离
3. 相机接口
4. 镜头尺寸：1/2’、2/3’等；
5. 镜头分辨率：镜头的分辨率要比相机的大
6. 景深：目标的层次问题
7. 畸变：高精度尺寸测量时必须要注意的。

以下为镜头选型的步骤：

1. 选择镜头接口和最大CCD尺寸

镜头接口只要可以跟相机接口匹配安装或可 镜头接口只要可以跟相机接口匹配安装或可通过外加转换口匹配安装就可以了；镜头可 通过外加转换口匹配安装就可以了；镜头可支持的最大CCD尺寸应大于等于选配相机 尺寸应大于等于选配相机CCD芯片尺寸

1. 选择镜头焦距
   由视场、工作距离、传感器尺寸可决定需要 由视场、工作距离、传感器尺寸可决定需要镜头的焦距；而其它参数，将会决定选择何 镜头的焦距；而其它参数，将会决定选择何种品质的镜头，如显微镜、远心镜、低畸变、 种品质的镜头，如显微镜、远心镜、低畸变、低像差、高分辨率镜头等。
   

焦距的计算方法：

注意：计算镜头焦距时，有时候算出来的值实际上 计算镜头焦距时，有时候算出来的值实际上并没有这种焦距的镜头，那么我们要选择跟算出来的值接近的镜头；或者我们要加延长 算出来的值接近的镜头；

FOV的计算方法：

注意：如果WD固定,当焦距短时(广角镜头)则FOV变大。当焦距长时 变大。当焦距长时(望远镜头)则FOV变小

1. 选择镜头光圈

头的光圈大小决定图像的亮度，在拍摄高 镜头的光圈大小决定图像的亮度，在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中，应该 速运动物体、曝光时间很短的应用中，应该选用大光圈镜头，以提高图像亮度。 选用大光圈镜头，以提高图像亮度。

远心镜头

远心镜头是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，主光线与镜头光源平行的镜头，分为物方远心和双侧远心两种，如左图；它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。远心镜头与传统镜头对比，如下图

镜头各个参数之间的关系

一个好的镜头，在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好的体现，对各种像差的校正也比较好，但同时其价格也会几倍甚至上百倍的提高。如果人们掌握一些规律和经验，就可以使用同档次的镜头达到更好的效果。
o (1)焦距大小的影响情况
o 焦距越小，景深越大；
o 焦距越小，畸变越大；
o 焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低。
o (2)光圈大小的影响情况
o 光圈越大，图像亮度越高；
o 光圈越大，景深越小；
o 光圈越大，分辨率越高；
o 光圈越大，球差和慧差越严重；
o 光圈越大，渐晕现象越严重，光场照度越不均匀。
o (3)像场中央与边缘
o 一般像场中心较边缘分辨率高；
o 一般像场中心较边缘光场照度高。
o (4)光波长度的影响
o 在相同的摄像机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力
越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为
照明光源，对提高系统精度有很大的作用

镜头的配件

1.延长管
延长管的作用：改变相机工作距离，视场大小

2.放大镜
放大镜作用：对视场进行相应倍率的放大。 放大镜作用：对视场进行相应倍率的放大。

光学倍率规格：
1.5X,2.0X,2.5X,3.0X,4.0X,5.0X 1.5X,2.0X,2.5X,3.0X,4.0X,5.0