鏡頭基本原理及概念

先介紹一下有關(guān)鏡頭且與視覺(jué)系統有關(guān)的基本概念（這些概念大家在開(kāi)發(fā)或使用系統時(shí)，會(huì )用得到）。如圖所示：

1，成象面。成象面是入射光通過(guò)鏡頭后所成象的平面。這個(gè)面是一個(gè)圓形。
2，CCD芯片（或底片）。相機拍照的原理是一樣的，無(wú)論家用相機還是CCD相機。都是由一個(gè)裝置（CCD芯片或底片）來(lái)感光。大家在CCD相機的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中?？吹剑?/2",2/3",1/3"這是什么意思呢？這指的CCD芯片對角線(xiàn)長(cháng)度，單位是英寸。一般上大家所使用的CCD相機，有1/2,2/3,1/3及1英寸4種大小。

小結1，成象面與鏡頭本身的設計及生產(chǎn)有關(guān)。大家一看就知道，成象自然是越大越好了?？墒怯行S(chǎng)家的鏡頭由于設計或生產(chǎn)上達不到技術(shù)要求，所以成象面會(huì )較小。這就是為什么有些鏡頭不能支持1/2"或1"相機，而有些卻可以?，F在大家可以明白了，這是因為這些鏡頭的成象面小過(guò)相機的CCD芯片，所以不能用在這種相機上。因此，大家在選用鏡頭時(shí)，用注意的第一點(diǎn)，就是該鏡頭的成象面與你所用的CCD相機是否匹配。通常在鏡頭的規格說(shuō)明書(shū)中都應該有這一項：適用于多大尺寸的CCD。不過(guò)許多國產(chǎn)鏡頭的規格說(shuō)明書(shū)中卻沒(méi)有。這一點(diǎn)大家最好留意，不要買(mǎi)了不能用的鏡頭。其實(shí)硬要用也可以，只不過(guò)你會(huì )看到在你四方窗口中是一圓形的圖象，圓形以外的地方都是黑色（呈日本太陽(yáng)旗狀）。

3，焦距。是鏡頭到成象面的距離。相信大家都知道什么50MM鏡頭，25MM鏡頭及35~70變焦鏡頭等。這些鏡頭名稱(chēng)里的數字就指的是鏡頭到成象面的距離，單位是MM。焦距，這個(gè)概念本身沒(méi)有太多含義，但是它和其他的概念卻有著(zhù)直接關(guān)系。下面我們會(huì )一一解釋。
4，視角。視角不用多說(shuō)，就是視線(xiàn)的角度，也就是鏡頭能“看”多“寬”。
5，工作距離。指的是鏡頭的最下端到景物之間的距離。這也很容易理解，不必多說(shuō)。不過(guò)有一點(diǎn)需要提醒大家的是，普通的鏡頭都可以看到無(wú)限遠，也就是說(shuō)是沒(méi)有上限的。所以，一般上大家需要注意的是“最小工作距離”。在鏡頭上我們可以看到兩個(gè)刻有刻度的調節圈，一個(gè)是調節光圈的；另一個(gè)是調焦的。在調焦的刻度圈上會(huì )清楚地標明此鏡頭的工作距離從最近到最遠是多少到多少。
6，視野。視野是一個(gè)大家在論壇上常常聽(tīng)別人提到的概念。所指的是鏡頭所能“看”到的最大范圍，也就是鏡頭所能夠覆蓋的有效工作區域。
7，景深。與視野相似，不同的只是景深指的縱深的范圍。而視野是橫向的范圍。

小結2，以上幾個(gè)概念是相互有關(guān)聯(lián)的。其關(guān)系是：焦距越??；視角越大；最小工作距離越短；視野越大。其實(shí)這幾個(gè)概念這間，是有計算公式可以相互換算的。不過(guò)那是搞光學(xué)的人的事情，和我們無(wú)關(guān)。以最常用的三種鏡頭（50MM，25MM，16MM）為例，大家只要簡(jiǎn)單地記?。?0MM的鏡頭焦距自然是最大的，所以50MM鏡頭的視角就最小，而視野就最小，最小工作距離卻是最遠的；25MM的鏡頭焦距中間的，所以25MM鏡頭的視角居中，而視野也是中等，最小工作距離同樣是中等；16MM的鏡頭焦距自然是最小的，所以16MM鏡頭的視角就最大，而視野也就最大，最小工作距離是最近的。知道了這些，大家可能還是一片迷茫。舉個(gè)具體的例子。

真正作過(guò)系統應用的人都會(huì )有過(guò)這樣的經(jīng)驗，系統所要安裝的環(huán)境往往是已經(jīng)確定的了。說(shuō)白了就是，常常人家已經(jīng)預先留下一個(gè)空間給你，用來(lái)安裝你的視覺(jué)檢測系統。而這個(gè)空間就這么大，不能再大（或不能再?。?。那么首先系統的高度就與我們的最小工作距離有關(guān)了：人家只給你留下0.5M高度的空間，可是你非用最小工作距離是1M的50MM鏡頭，這當然就不行。所以現在你就可以大概算出（看看鏡頭上調焦圈上的刻度）應該用什么樣的鏡頭可以放到這么大的空間中去。

小結3，還有幾個(gè)相關(guān)的因素。一是鏡頭的畸變；二是鏡頭與光線(xiàn)強度的相互影響。
鏡頭的畸變是與鏡頭的焦距成反比的，仍以上述三種鏡頭為例：50MM鏡頭畸變是最小的；16MM鏡頭的畸變是最大的。與我們有什么關(guān)系呢？很簡(jiǎn)單，如果你的系統是用來(lái)測量的（如長(cháng)度），自然是畸變越小越好。因此就不宜用50MM焦距以下的鏡頭；如果你的系統只是用來(lái)認識字符，那么畸變大小與你就沒(méi)什么關(guān)系，用什么鏡頭都可以。

光線(xiàn)與鏡頭又有什么關(guān)系呢？在燈源位置固定的情況下，光線(xiàn)的強度，與鏡頭的工作距離有直接關(guān)系。工作距離越遠，光線(xiàn)強度就越弱（圖象亮度也就越暗）。二者間的關(guān)系是幾何級的，就是說(shuō)工作距離增長(cháng)一倍（由1變?yōu)?），光線(xiàn)就會(huì )弱4倍。同時(shí)，工作距離越長(cháng)（鏡頭距被測物越遠），所成圖象受噪光的影響就越大。比如說(shuō)，機器在放在室內運行的，假設你的系統的工作距離很遠，而你的視覺(jué)系統上方又剛好就有一盞燈的話(huà)（其實(shí)這常常會(huì )發(fā)生）。那么，你就很危險了，因為那燈開(kāi)還是沒(méi)開(kāi)，甚至此燈的電壓穩不穩，都會(huì )直接影響你系統運行的結果。

結束前，我們來(lái)總結一下全篇：對于普通的鏡頭來(lái)說(shuō)，應該如何選擇鏡頭？
1，工作距離越近越好（當然，這要根據系統的安裝環(huán)境而定）。
2，鏡頭的畸變越小越好（對于測量系統尤其重要）。
3，視野越大越好（能看多少看多少）

拋開(kāi)那些高精度的測量系統不談。我只用過(guò)4種鏡頭，50MM及35MM是最常用的；75MM的鏡頭，偶爾用在工作距離很遠的情況下；16MM的鏡頭偶爾用在工作距離很近的情況下。其它沒(méi)了！

什么是鏡頭的畸變？這是光學(xué)范疇內的問(wèn)題，在光學(xué)中自有它自己的標準定義。我沒(méi)資格在這“開(kāi)牙”，不過(guò)用通俗一點(diǎn)的話(huà)來(lái)講就是，用相機拍照所成的圖象會(huì )變形。舉個(gè)極端一點(diǎn)的例子，我們都有用家里的普通相機拍照留念的經(jīng)驗。有一種鏡頭叫“廣角鏡頭”更狠一點(diǎn)的干脆就叫“魚(yú)眼鏡頭”，用這類(lèi)鏡頭拍照片，你就會(huì )發(fā)現照片四邊處的成象是彎曲的。這種現象就是由于“鏡頭的畸變”所造成的。說(shuō)“魚(yú)眼鏡頭”的例子極端，是因為“魚(yú)眼鏡頭”是一種大畸變鏡頭。

是鏡頭就有畸變，區別只是畸變有大有小。而對于視覺(jué)檢測系統來(lái)說(shuō)，當然希望所用的鏡頭畸變越小越好。這是因為視覺(jué)系統進(jìn)行檢測時(shí)，都是在相機成象的圖象上進(jìn)行的。如果相機成象就“歪”了的話(huà)，系統檢測所得出的結果也“正”不到哪去－－－－這就有點(diǎn)上梁不正下梁歪的意思

視覺(jué)系統對于鏡頭畸變的矯正，有兩種方法：即從硬件著(zhù)手或是從軟件著(zhù)手。從硬件著(zhù)手的方法很簡(jiǎn)單：用畸變很小的鏡頭就好了。這種鏡頭叫遠心成象鏡頭（telecentric lens），價(jià)格昂貴，是普通鏡頭價(jià)格的6，7倍以上。但所謂物有所值，這種鏡頭的畸變都在1%以下，有的可以到0.1%。所以絕大多數高精度的視覺(jué)測量系統，都用此類(lèi)鏡頭；第二種方法是從軟件下手。在作“相機標定”時(shí)，利用標定標準模塊上的點(diǎn)陣來(lái)計算。具體的方法是：在完成了“相機標定”后，根據已知的測量得出的點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)的大小值，去分析點(diǎn)陣中處于外圍的點(diǎn)的大小，與處于點(diǎn)陣內圈的點(diǎn)的大小的不同。通過(guò)對比便可得出一個(gè)比值，這個(gè)比就是鏡頭的畸變。有了外個(gè)比值，在作實(shí)際測量時(shí)就可以對畸變作出矯正。不過(guò)除非是為了省錢(qián)－－－－省下買(mǎi)遠心鏡頭的錢(qián)－－－－很少有人用軟件去矯正畸變，原因是計算太過(guò)復雜。