一個典型的機器視覺系統包括相機、鏡頭、光源、圖像采集卡等組件，鏡頭在系統中有著非常重要的地位。

下面小矩將為大家簡要介紹一下鏡頭成像、技術指標及鏡頭分類、鏡頭選型等方面，幫助您了解鏡頭的基本性能，以便在現場應用中獲取最優的產品性能。

鏡頭成像原理

鏡頭的成像是以凸透鏡成像的原理為基礎，通過透鏡的組合，把物體發出或者反射的光線成像在像平面上(與芯片面重合) 。運用凹凸透鏡組合能有效地平衡球差、軸外像差、色差等各種像差，提高成像質量。

技術指標介紹

1、焦點/焦距與光軸平行的光線射入凸透鏡時，理想的鏡頭應該是所有的光線聚集在一點后，再以錐狀擴散開來，這個聚集所有光線的點叫做焦點。對于單個透鏡來說，焦距是指從光心到焦點的距離，如圖一；對于多個透鏡組成的鏡頭組來說，焦距是指像方主平面到焦點的距離，如圖二。

2、光圈在鏡頭內部，有一個多邊形或者圓形且面積可變的孔狀光柵裝置，這個裝置就叫做光圈。光圈的作用是控制鏡頭的通光量，通常用光圈系數來描述其大小。光圈系數是指鏡頭焦距    與整個鏡頭入瞳直徑D的比值，通常用f/#來表示。其計算公式：f/#=f′/D。

f/#值越小，光圈越大。一般f/#值是以√2倍遞增，因此光圈常用的計數為F1.4，F2.0，F2.8，F4.0……在同一單位時間內上一級的通光面積是下一級的兩倍，例如光圈從f/8調整到f/5.6，通光面積便增加一倍。

光圈對圖片亮度的影響：相同應用條件下，同一鏡頭，光圈越大，通光孔徑越大，圖片越亮。

3、工作距離工作距離：鏡頭聚焦清晰時，被測目標到鏡頭最前端的距離稱為工作距離。實際應用中，鏡頭不能對任意物距下的目標都同時聚焦清晰，因此鏡頭的工作距離有一定范圍。4、視場角/視野視場角：在光學工程中，視場角是指鏡頭對圖像傳感器的張角，即若y'為Sensor的半對角線長度，則視場角2θ≈2*arctan(y'/f')。視野：也叫視場范圍，是指鏡頭能觀測到的實際范圍。鏡頭的視野大小和相機的分辨率，決定視覺系統所能達到的視覺檢測精度。

相同的工作距離下，焦距越短，視場角越大，視野也就越大；相同的焦距下，視場角一定，工作距離越遠，視野越大。

5、放大倍率 放大倍率定義為像的大小與物的大小之比。-1＜β ＜0時，物像異側，成倒立縮小的實像，如AA′所示，這就是鏡頭的成像原理。β=-1時，物像異側，成倒立等大的實像，如BB′所示。β＜-1時，物像異側，成倒立放大的實像，如CC′所示，這就是顯微鏡的成像原理。β＞0時，物像同側，成正立放大的虛像，如DD′所示，這就是放大鏡的成像原理。

6、分辨率分辨率是指光學系統可以測到的被測物體上的最小可分辨特征尺寸。鏡頭能分辨物體的細節越小，鏡頭的分辨率就越高。通常用像面處每毫米能夠分辨的黑白相間的條紋對數(lp/mm)描述。在實際應用中，建議鏡頭的分辨率不低于相機的分辨率。

7、景深景深：能在像平面上獲得清晰像的物方空間深度。即：在被攝物平面(對焦點)前后一定范圍內的物體，在無需調焦的情況下，其成像仍然清晰，這段可清晰成像空間深度就是景深。

8、光學畸變由于鏡頭在不同視場放大倍率的不一樣，使得像相對于物體失去相似性，這種像變形的缺陷稱為光學畸變。光學畸變只影響成像的幾何形狀，并不影響成像的清晰度。常見的光學畸變主要有兩種類型，桶形畸變和枕形畸變。

9、TV畸變TV畸變是圖像的視覺畸變的度量，TV畸變的定義有很多 。其中RIAA TV畸變計算公式如下：

10、后截距法蘭距：鏡頭法蘭面到像面(芯片)的距離。機械后截距：鏡頭最后的機械面到像面的距離。光學后截距：鏡頭最后端鏡片表面頂點到像面的距離。

鏡頭分類

鏡頭有多種分類方法：按功能分類：定焦鏡頭、變焦(倍)鏡頭、定光圈鏡頭；按用途分類：遠心鏡頭、FA鏡頭、線掃鏡頭、微距鏡頭(或者顯微鏡頭)；按視角分類：普通鏡頭、廣角鏡頭、遠攝鏡頭；按焦距分類：短焦距鏡頭、中焦距鏡頭、長焦距鏡頭。工業應用中，最常用的鏡頭為定焦鏡頭和遠心鏡頭。定焦鏡頭指固定焦距的鏡頭；遠心鏡頭主要是為糾正傳統鏡頭的視差而特殊設計的鏡頭，它在一定的工作距離范圍內，所得圖像的放大倍率不隨工作距離的變化而變化，即被測物在不同工作距離下，所成像的大小相同，因此普遍應用在高精度測量的場合中。一般可分為以下幾類：物方遠心鏡頭：物方主光線平行于光軸，即主光線的會聚中心位于物方無限遠，能夠消除物方因調焦不準確而導致的讀數誤差。像方遠心鏡頭：像方主光線平行于光軸，即主光線的會聚中心位于像方無限遠，能夠有效消除因像方調焦不準而導致的測量誤差。

圖1/物方遠心鏡頭圖2/像方遠心鏡頭雙側遠心鏡頭：物方主光線和像方主光線分別投射到各自端無限遠，兼容以上兩款鏡頭的優點。

雙側遠心鏡頭常規的表面缺陷檢測、有無判斷等對系統精度要求不高時，可以選用普通鏡頭。對于精密測量的應用需求則考慮選擇遠心鏡頭，因為普通鏡頭成像時，由于不同工作距離造成放大倍率不一致而造成視差，即產生近大遠小的效果，從而影響測量精度。遠心鏡頭能確保檢測目標在一定范圍內放大倍率一致，克服視差，從而提高測量精度。

普通鏡頭與遠心鏡頭效果對比

鏡頭選型

1、選型思路在機器視覺系統中，鏡頭的主要作用是將工件成像至相機傳感器芯片上，因此鏡頭的選型將直接影響到機器視覺系統的整體性能。一般可以通過以下方式合理地選擇鏡頭：

2、注意要點a.對焦環與光學接口調節鏡片組的相對位置或光學系統的后焦距使成像清晰的結構部件稱為對焦環(或調焦環)。下圖為對焦環不同狀態下的成像效果：

鏡頭與相機連接的機械接口，行業內常用的光學接口已形成通用規范，例如C口、CS口、F口和K口。

b.最大兼容相機芯片尺寸最大兼容相機芯片尺寸指鏡頭能支持的最大清晰成像的范圍。在實際選擇相機和鏡頭時，要注意所選擇鏡頭的最大兼容芯片尺寸要大于或等于所選擇的相機芯片的尺寸。以下為常用鏡頭及相機芯片的兼容性說明：

3、選型過程a.首先確定應用需求(視野、精度、安裝高度等)。b.根據應用需求計算關鍵的光學性能參數。例如，由視野范圍、相機芯片尺寸以及工作距離，計算焦距：視場（水平方向）/芯片（水平方向）≈工作距離/焦距c.分辨率匹配：在實際應用中，應注意鏡頭的分辨率不低于相機的分辨率。d.景深要求：對景深有要求的項目，盡可能使用小光圈；由于景深影響因素較多以及判定標準較為主觀，具體的景深計算需要結合實際使用條件。e.注意與光源的配合，選配合適的鏡頭。f.注意考慮使用環境的可安裝空間。

案例展示

使用需求：視野為180mm×135mm，相機芯片為1″(芯片尺寸12.8mm×9.6mm)，像元尺寸為3.5μm，相機接口為C型接口，工作距離小于800mm。(1)根據焦距公式計算，可得：f′=工作距離÷(水平視場÷芯片)=800÷(180÷12.8)=56.89mm。(2)選擇最接近的焦距，f′取50mm，根據確定的焦距，計算新的工作距離，可得：新的工作距離≈(水平視場÷芯片)×焦距=(180÷12.8)×50=703.125mm，新的工作距離＜800mm，因此所選定的焦距可行。(3)像素匹配：像素=12.8÷(3.5×10-3)×9.6÷(3.5×10-3)=1.00×107 ，建議選擇高清晰1000萬像素級定焦鏡頭。(4)確定接口為C接口。(5)綜上所述，可選擇OPT Machine Vision的OPT-C5024-10M。