3D機(jī)器視覺相鏡頭相機(jī)介紹

相機(jī)的鏡頭類似于人眼的晶狀體。如果沒有晶狀體，人眼看不到任何物體；如果沒有鏡頭，相機(jī)無(wú)法輸出清晰

的。在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是將成像目標(biāo)聚焦在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭對(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、景深及各種像素差異。

鏡頭種類繁多，一般情況下，機(jī)器視覺系統(tǒng)中的鏡頭可進(jìn)行如下分類。

(1)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(wú)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(wú)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(wú)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)中所用的相機(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，一般可分為如下表

所示

(2)根據(jù)焦距劃分

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(zhǎng)焦距值和最短焦距值的比值稱為該鏡

頭的變焦倍率。變焦鏡頭又可分為手動(dòng)變焦和電動(dòng)變焦兩大類。

變焦鏡頭通過鏡頭鏡片之間的相互位移，使鏡頭的焦距可在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而在無(wú)需更換鏡頭的條件

下，通過CCD相機(jī)既可以獲得成像目標(biāo)的全景圖像，又可獲得局部細(xì)節(jié)的圖像。變焦鏡頭的變焦范圍一般有6倍、

8倍、10倍、12倍、16倍、20倍、50倍等。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(wú)法和同檔次的定焦距鏡頭相比。

變焦鏡頭一般由幾片透鏡組成。兩個(gè)焦距分別為f1、f2且相距為d的透鏡組變焦鏡頭一般由焦距組、變倍組、補(bǔ)償

組、固定組等構(gòu)成。其中焦距組的主要作用是通過小范圍內(nèi)的軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鏡頭的焦距調(diào)整；變倍組主要通過

軸向移動(dòng)，達(dá)到焦距連續(xù)可調(diào)的目的；當(dāng)變倍組前后移動(dòng)進(jìn)行焦距調(diào)整時(shí)，鏡頭的成像面將隨之發(fā)生變化，補(bǔ)償

組可隨變倍組的移動(dòng)而進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)，是成像面保持在圖像傳感器的光敏面上；固定組的主要作用是保持有一

定的裝座距離。

實(shí)際常用的鏡頭的焦距是從4mm到300mm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，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，相

關(guān)計(jì)算公式如表所示。

(3)根據(jù)光圈類型劃分

鏡頭有手動(dòng)光圈(Manual Iris)和自動(dòng)光圈(Auto Iris)之分，配合相機(jī)使用，手動(dòng)光圈鏡頭適合于亮度不變的應(yīng)用場(chǎng)

合，自動(dòng)光圈鏡頭因亮度變更時(shí)其光圈亦作自動(dòng)調(diào)整，故適用亮度變化的場(chǎng)合。自動(dòng)光圈鏡頭有兩類：一類是將

一個(gè)視頻信號(hào)及電源從相機(jī)輸送到透鏡來控制鏡頭上的光圈，稱為視頻輸入型；另一類則利用相機(jī)上的直流電壓

來直接控制光圈，稱為DC輸入型。自動(dòng)光圈鏡頭上的ALC(自動(dòng)鏡頭控制)調(diào)整用于設(shè)定測(cè)光系統(tǒng)，可以整個(gè)畫面

的平均亮度，也可根據(jù)畫面中最亮部分(峰值)來設(shè)定基準(zhǔn)信號(hào)強(qiáng)度，供給自動(dòng)光圈調(diào)整使用。一般而言，ALC已在

出廠時(shí)經(jīng)過設(shè)定，可不作調(diào)整，但是對(duì)于拍攝景物中包含有一個(gè)亮度極高的目標(biāo)時(shí)，明亮目標(biāo)物的影像可能會(huì)造

成“白電平削波”現(xiàn)象，而使得全部屏幕變成白色，此時(shí)可以調(diào)節(jié)ALC來變換畫面。

另外，自動(dòng)光圈鏡頭裝有光圈環(huán)，轉(zhuǎn)動(dòng)光圈環(huán)時(shí)，通過鏡頭的光通量會(huì)發(fā)生變化，光通量即光圈，一般用F表示，

F值越小，則光圈越小。

采用自動(dòng)光圈鏡頭，對(duì)于下列應(yīng)用情況是理想的選擇，在諸如太陽(yáng)光直射等非常亮的情況下，用自動(dòng)光圈鏡頭可

有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。要求在整個(gè)視野有良好的聚焦時(shí)，用自動(dòng)光圈鏡頭有比固定光圈鏡頭更大的景深。要求在亮

光上因光信號(hào)導(dǎo)致的模糊最小時(shí)，應(yīng)使用自動(dòng)光圈鏡頭。

(4)根據(jù)鏡頭接口類型劃分

鏡頭和相機(jī)之間的接口有許多不同的類型，工業(yè)相機(jī)常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、萊卡

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(wú)直接關(guān)系，只是接口方式的不同，一般也

可以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)相機(jī)最常見的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口，為1in-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型接口的相機(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)相機(jī)中常用的類型，一般相機(jī)靶面大于1in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主要使用的標(biāo)準(zhǔn)，一般也用于相機(jī)靶面較大或特殊用途的鏡頭。

(5)特殊用途的鏡頭

①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)在的相機(jī)的像元尺寸已經(jīng)做到3μm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。

②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相機(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。

③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。

④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。

(6)不同種類鏡頭的應(yīng)用范圍不同。

① 手動(dòng)、自動(dòng)光圈鏡頭　手動(dòng)光圈鏡頭是最簡(jiǎn)單的鏡頭，適用于光照條件相對(duì)穩(wěn)定的條件下，手動(dòng)光圈由數(shù)片金

屬薄片構(gòu)成。光通量靠鏡頭外徑上的一個(gè)環(huán)調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)此圈可使光圈縮小或放大。在照明條件變化大的環(huán)境中或

不是用來監(jiān)視某個(gè)固定目標(biāo)，應(yīng)采用自動(dòng)光圈鏡頭，比如在戶外或人工照明經(jīng)常開關(guān)的地方，自動(dòng)光圈鏡頭的光

圈的動(dòng)作由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)受控于攝像機(jī)的視頻信號(hào)。手動(dòng)光圈鏡頭和自動(dòng)光圈鏡頭又有定焦距(光圈)鏡頭自動(dòng)光

圈鏡頭和電動(dòng)變焦距鏡頭之分。

② 定焦距(光圈)鏡頭　一般與電子快門攝像機(jī)配套，適用于室內(nèi)監(jiān)視某個(gè)固定目標(biāo)的場(chǎng)所作用。定焦距鏡頭一般

又分為長(zhǎng)焦距鏡頭、中焦距鏡頭和短焦距鏡頭。中焦距鏡頭是焦距與成像尺寸相近的鏡頭；焦距小于成像尺寸的

稱為短焦距鏡頭，短焦距鏡頭又稱廣角鏡頭，該鏡頭的焦距通常是28mm以下的鏡頭，短焦距鏡頭主要用于環(huán)境

照明條件差，監(jiān)視范圍要求寬的場(chǎng)合，焦距大于成像尺寸的稱為長(zhǎng)焦距鏡頭，長(zhǎng)焦距鏡頭又稱望遠(yuǎn)鏡頭，這類鏡

頭的焦距一般在150mm以上，主要用于監(jiān)視較遠(yuǎn)處的景物。

③ 手動(dòng)光圈鏡頭　可與電子快門攝像機(jī)配套，在各種光線下均可使用。

④ 自動(dòng)光圈鏡頭　可與任何CCD相機(jī)配套，在各種光線下均可使用，特別用于被監(jiān)視表面亮度變化大、范圍較大

的場(chǎng)所。為了避免引起光暈現(xiàn)象和燒壞靶面，一般都配自動(dòng)光圈鏡頭。

⑤ 電動(dòng)變焦距鏡頭　可與任何CCD相機(jī)配套，在各種光線下均可使用，變焦距鏡頭是通過遙控裝置來進(jìn)行光對(duì)

焦，光圈開度，改變焦距大小。