工业镜头

 

工业镜头
 光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头，简称镜头，其功能就是光学成像。镜头是机器视觉系统中的重要组件，对成像质量有着关键性的作用，它对成像质量的几个最主要指标都有影响，包括：分辨率、对比度、景深及各种像差。镜头不仅种类繁多，而且质量差异也非常大，但一般用户在进行系统设计时往往对镜头的选择重视不够，导致不能得到理想的图像，甚至导致系统开发失败。

 

一、镜头基本概念

 

1、视野 (FOV)
图像采集设备所能够覆盖的范围，它可以是在监视器上可以见到的范围，也可以使设备所输出的数字图像所能覆盖的最大范围。

2、最大/最小工作距离（Work Distance）
从物镜到被检测物体的距离的范围，小于最小工作距离大于最大工作距离系统均不能正确成像。
3、景深（Depth Of Field）
在某个调焦位置上，景深内的物体都可以清晰成像。

4、畸变
几何畸变指的是由于镜头方面的原因导致的图像范围内不同位置上的放大率存在的差异。几何畸变主要包括径向畸变和切向畸变。如枕形或桶形失真。

 

5、镜头接口
(1)C-MOUNT镜头的标准接口之一，镜头的接口螺纹参数：
公称直径：1“
螺距：32牙
(2)CS－Mount是C－Mount的一个变种，区别仅仅在于镜头定位面到图像传感器光敏面的距离的不同，C－Mount 是17。5mm，CS－Mount是12。5mm。
(3)C/CS能够匹配的最大的图像传感器的尺寸不超过1“。

 

6、成像面
可以在镜头的像面上清晰成像的物方平面

7、光圈与F值
光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1。4，f2，f2。8 etc。

8、焦距
焦距是像方主面到像方焦点的距离。如16mm， 25mm

9、分辨率
测量系统能够重现的最小的细节的尺寸常常用每毫米线对来表示，也就是根据这个镜头能够分辨一毫米内多少对直线。选择镜头的时候必须注意厂商给出的分辨率的定义方式。

10、qlp/mm (line pair per mm)
lp/mm是表征分辨率的最简单的指标，但不是最佳指标，最佳的指标是镜头的调制传递函数MTF。
MTF能够同时表征系统重现物方空间的几何和灰度细节能力，是衡量成像系统性能的最佳方式。对于一个实际的成像系统，细节密集地方的对比度要小于细节稀疏位置的对比度
成像系统中的每个环节都对系统最终的MTF产生影像，包括滤色片，镜头，图像传感器，后期处理电路等等。

 

二、镜头的分类
1、按照功能分：
(1)变焦距镜头
镜头的焦距可以调节，镜头的视角，视野可变
(2)定焦距镜头
镜头的焦距不能调节，镜头视角固定。聚焦位置和光圈可以调节
(3)定光圈镜头
光圈不能调节，通常情况下聚焦也不能调节。

2、按照用途分
(1)微距镜头（或者成为显微镜头）
用于拍摄较小的目标具有很大的放大比
(2)远心镜头
包括物方远心镜头和像方远心镜头以及双边远心镜头。

3、关于远心镜头
远心指的是一种光学的设计模式：系统的出瞳和入瞳的位置在无限远处。
(1)远心镜头特性:
物方远心镜头可以消除透视畸变，像方远心镜头可以获得更好的像面照度的均匀性。

 

三、镜头的主要性能指标
1、焦距
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。

2、光阑系数
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（MANUALIRIS）和自动光圈（AUTOIRIS）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。

3、自动光圈镜头
自动光圈镜头目前分为两类：一类称为视频（VIDEO）驱动型，镜头本身包含放大器电路，用以将摄像头传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制。另一类称为直流（DC）驱动型，利用摄像头上的直流电压来直接控制光圈。这种镜头只包含电流计式光圈马达，要求摄像头内有放大器电路。对于各类自动光圈镜头，通常还有两项可调整旋钮，一是ALC调节（测光调节），有以峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择，一般取平均测光档；另一个是LEVEL调节（灵敏度），可将输出图像变得明亮或者暗淡。

4、变倍镜头
变倍镜头分为手动（MANUALZOOMLENS）和电动（AUTOZOOMLENS）两种，手动变倍镜头一般用于科研项目而不用在闭路监视系统中。在监控很大的场面时，摄像头通常要配合电动镜头和云台使用。电动镜头的好处是变焦范围大，既可以看大范围的情况，也可以聚焦某个细节，再加上云台可以上下左右的转动，可视范围就非常大了。电动镜头有6倍、10倍、15倍、20倍等多种倍率，如果再知道基准焦距，就可以确定镜头焦距的可变范围。例如一个6倍电动镜头，基准焦距为8.5毫米，那么其变焦范围就是8.5到51毫米连续可调，视场角为31.3到5.5度。电动镜头的控制电压一般是直流8V~16V，最大电流为30毫安。所以在选控制器时，要充分考虑传输线缆长度，如果距离太远，线路产生的电压下降会导致镜头无法控制，必须提高输入控制电压或更换视频矩阵主机配合解码器控制。

 

四、镜头各参数间的相互影响关系
　　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。如果我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。　　
1、焦距大小的影响情况：
焦距越小，景深越大；
焦距越小，畸变越大；
焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低；　　

2、光圈大小的影响情况：
光圈越大，图像亮度越高；
光圈越大，景深越小；
光圈越大，分辨率越高； 　　

3、 像场中央与边缘
一般像场中心较边缘分辨率高；
一般像场中心较边缘光场照度高；

4、光波长度的影响：
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。

五、镜头的检验及维护注意事项
1、灰尘：用吹气球吹掉，或专用的气体清洁剂、镜头毛刷。不要用嘴吹、不要先擦。
2、油污：用长纤维脱脂棉球或专用的镜头纸，蘸专用的镜头清洁剂轻轻擦拭。不要用手接触、不要用酒精、不要用镊子夹棉球、不要用手帕、衣物、鹿皮等。
 

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