机器视觉镜头的成像机理与特性解析

成像原理

镜头成像原理是基于凸透镜成像通过透镜的组合，把物体发出或者反射的光线成像在像平面上（与芯片面重合）。运用凹凸透镜组合能有效地平衡球差、轴外像差、色差等各种像差，提高成像质量。摄像头成像的过程可以分为以下几个步骤：光学成像、光电转换、信号处理、数字编码和数据传输。

技术指标

焦点/焦距

与光轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后，再以锥状扩散开来，这个聚集所有光线的点叫做焦点。

对于单个透镜来说，焦距是指从光心到焦点的距离，如图一；

对于多个透镜组成的镜头组来说，焦距是指像方主平面到焦点的距离，如图二。

光圈  

光圈就是控制光线进入镜头的装置。在镜头内部多枚叶片组合成一个圆形孔径调节装置，通过调节孔径大小就可以控制镜头的通光量。光圈用英文字母F表示，F值与光圈大小成反比，F值越小光圈越大，F值越大光圈反而越小。

光圈系数是指镜头焦距    与整个镜头入瞳直径D的比值，通常用f/#来表示。其计算公式：f/#=f′/D。

f/#值越小，光圈越大。一般f/#值是以√2倍递增，因此光圈常用的计数为F1.4，F2.0，F2.8，F4.0……在同一单位时间内上一级的通光面积是下一级的两倍，例如光圈从f/8调整到f/5.6，通光面积便增加一倍。

光圈对图片亮度的影响：相同应用条件下，同一镜头，光圈越大，通光孔径越大，图片越亮。

工作距离

工作距离(Working Distance)：镜头聚焦清晰时，被测目标到镜头最前端的距离称为工作距离。实际应用中，镜头不能对任意物距下的目标都同时聚焦清晰，因此镜头的工作距离有一定范围。 

一般的镜头是可以看到无限远的，也就是说是没有上限的，我们需要注意的是“最小工作距离”在镜头上有两个有刻度的调节圈，一个是调节光圈的，另一个是调焦的，在调焦的刻度圈上标有此镜头的工作距离从最近到最远是多少。

视场角/视野

视场角：在光学工程中，视场角是指镜头对图像传感器的张角，即若y'为Sensor的半对角线长度，则视场角2θ≈2*arctan(y'/f')。

视野：视野(Field of View, FoV)，也叫视场范围，是指镜头能观测到的实际范围。镜头的视野大小和相机的分辨率，决定视觉系统所能达到的视觉检测精度。

相同的工作距离下，焦距越短，视场角越大，视野也就越大；相同的焦距下，视场角一定，工作距离越远，视野越大。 

放大倍率

放大倍率定义为像的大小与物的大小之比。 
        -1＜β ＜0时，物像异侧，成倒立缩小的实像，如AA′所示，这就是镜头的成像原理。
        β=-1时，物像异侧，成倒立等大的实像，如BB′所示。
        β＜-1时，物像异侧，成倒立放大的实像，如CC′所示，这就是显微镜的成像原理。
        β＞0时，物像同侧，成正立放大的虚像，如DD′所示，这就是放大镜的成像原理。    

分辨率

分辨率是指光学系统可以测到的被测物体上的最小可分辨特征尺寸。

镜头分辨率与相机像素、分辨率均无关，只与镜头成像质量有关，通常镜头分辨率指的是解像力。镜头只与解像力有关，越高质量的镜头，解像力越高，通常称为“锐度越高”，所拍照片也自然越清晰。

镜头能分辨物体的细节越小，镜头的分辨率就越高。通常用像面处每毫米能够分辨的黑白相间的条纹对数(lp/mm)描述。

在实际应用中，建议镜头的分辨率不低于相机的分辨率。   

景深

深度为当CCD从最佳焦点前后移动时，出现最锐利焦点的最近点与最远点之间的距离。影像侧的深度范围称为焦深。

影响景深的主要因素

镜头光圈

光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。

镜头焦距

镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。

拍摄距离

距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。    

光学畸变

光学畸变(distortion)：由于镜头在不同视场放大倍率的不一样，使得像相对于物体失去相似性，这种像变形的缺陷称为光学畸变。光学畸变只影响成像的几何形状，并不影响成像的清晰度。常见的光学畸变主要有两种类型，桶形畸变和枕形畸变(如图)。

TV畸变

TV畸变是图像的视觉畸变的度量，TV畸变的定义有很多 。其中RIAA TV畸变计算公式如下：

后截距

法兰距：镜头法兰面到像面(芯片)的距离。
机械后截距：镜头最后的机械面到像面的距离。
光学后截距：镜头最后端镜片表面顶点到像面的距离。

审核编辑：黄飞