機器視覺系統(tǒng)之鏡頭篇

1、鏡頭篇機器視覺系統(tǒng)主講人：張勇中國大恒（集團）有限公司北京圖像視覺技術(shù)分公司中國大恒（集團）有限公司北京圖像視覺技術(shù)分公司 鏡頭影響圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素 圖像質(zhì)量的參數(shù)圖像質(zhì)量的參數(shù)影響圖像質(zhì)量的因素影響圖像質(zhì)量的因素分辨率（Resolution）鏡頭 攝像機顯示設備對比度（Contrast）鏡頭 光源 攝像機景深（Depth of Field）鏡頭失真（Distortion），也叫畸變鏡頭投影誤差鏡頭主要內(nèi)容光學系統(tǒng)的基本概念及相關(guān)知識鏡頭的基本參數(shù)及相關(guān)知識如何選擇鏡頭光學系統(tǒng)的基本概念及相關(guān)知識光學系統(tǒng)的基本概念及相關(guān)知識光學系統(tǒng)的基本概念光心和主軸光心和主軸光心是透鏡的光學中心；主光軸又

2、叫主軸，是指透鏡通過光心的兩個折射面曲率中心的連線及其延長線；透鏡除了主光軸外，還有副光軸，凡是其他通過光心的任一直線都叫做透鏡的副光軸；一個透鏡的主光軸只有一個，而副光軸卻有無數(shù)個 光學系統(tǒng)的基本概念光心和主軸光心和主軸光學系統(tǒng)的基本概念焦點和焦平面焦點和焦平面光學系統(tǒng)的基本概念主點和主平面主點和主平面光學系統(tǒng)的基本概念共軛關(guān)系共軛關(guān)系 ：在透鏡成像過程中，物方的每一個點在像方都有相對應的一個點，每一條直線都有相對應的一條直線，每一個平面都有相對應的一個平面，物與像之間的這種相互關(guān)連的對應關(guān)系就是共軛關(guān)系。 光學系統(tǒng)的基本概念焦距、物距和像距焦距、物距和像距 從物方主點H至物方主焦點F的距離

3、為物方焦距f或稱為前焦距。從像方主點H至像方焦點F的距離為像方焦距f或稱為后焦距。物方焦距和像方焦距統(tǒng)稱為焦距。 透鏡的物方主點到物平面的距離，稱為物距。透鏡的像方主點到像平面的距離，稱為像距。 薄透鏡成像原理物距物距L 像距像距L影像性質(zhì)影像性質(zhì)L=L= f 縮小的倒立實像,物與像分別位于鏡頭前后兩則L由向2f值縮短L由f值向2f值延長同上L=2fL=2f1:1 的倒立實像,物與像分別位于鏡頭前后兩側(cè)L由2f值向f值縮短L由2f值向延長 放大的倒立實像,物與像分別位于鏡頭前后兩側(cè)L= f L=同上(注:理論上成立,實際上并不成立)LfLf 放大的倒立虛像,物與像位于鏡頭的同側(cè)薄透鏡成像原理共

4、軸光學系統(tǒng)共軸光學系統(tǒng)：共軸光學系統(tǒng)：若光學系統(tǒng)的全部界面都由球面和平面構(gòu)成，且個球面的球心均位于同一直線上，則該光學系統(tǒng)稱為共軸光學系統(tǒng)；目前，絕大部分工業(yè)鏡頭都屬于共軸光學目前，絕大部分工業(yè)鏡頭都屬于共軸光學系統(tǒng)。系統(tǒng)。共軸光學系統(tǒng)的光學特性點成像為點（共軛點）；線成像為線（共軛線）；平面成像為平面（共軛面）；凡垂直于光軸的物平面上各部位的影像放大率都相等，即像與物的幾何形狀完全相似。物像關(guān)系和放大率公式 物距：L = f(1+1/) 像距：L= f(1+ ) 焦距：f = L/(1+1/ ) 物高：y = y/ = y(L-f)/f 像高：y= y = y(L-f)/f光學系統(tǒng)的常用計算

5、公式鏡頭的基本參數(shù)及相關(guān)知識鏡頭的基本參數(shù)及相關(guān)知識光學鏡頭的基本原理 機器視覺鏡頭的光學系統(tǒng)一般是由若干組透鏡組成。每組透鏡可能是一個單透鏡，也可能是由兩片或兩片以上單片透鏡互相膠合而成。 機器視覺鏡頭都是厚透鏡。但在大多數(shù)情況下，薄透鏡的幾何關(guān)系和參數(shù)計算，可以用來作為選擇鏡頭的依據(jù)。 光學鏡頭的主要參數(shù)靶面靶面工作距離（工作距離（WDWD）景深（景深（DOFDOF）視野（視野（FOVFOV）分辨率（分辨率（ResolutionResolution）視野視野 (Field of view)(Field of view)：或者叫視場角，圖像采集設備所能夠覆蓋的范圍，即和靶面上的圖像所對應的物

6、平面的尺寸；工作距離（工作距離（Working DistanceWorking Distance）：）：一般指鏡頭前端到被測物體的距離，小于最小工作距離系統(tǒng)一般不能清晰成像；景深（景深（Depth Of FieldDepth Of Field）以鏡頭最佳聚焦時的WD為中心，前后存在一個范圍，在此范圍內(nèi)鏡頭都可以清晰成像。光學鏡頭的主要參數(shù)光學鏡頭的主要參數(shù)相對孔徑：相對孔徑：是指該鏡頭的入射光孔直徑（用D表示）與焦距（用f表示）之比，即 D/f；最大相對孔徑：最大相對孔徑：它往往標示在鏡頭上，如1:1.2或f/1.2 ；光圈系數(shù)：光圈系數(shù)：相對孔徑的倒數(shù)稱為光圈系數(shù)，用表示。光學鏡頭的主要參數(shù)

7、分辨率（分辨率（Resolution）指在像面處鏡頭在單位毫米內(nèi)能夠分辨的黑白相間的條紋對數(shù)。分辨率為1/2d，d為線寬。單位是”線對/毫米”（lp/mm）光學鏡頭的主要參數(shù)分辨率（分辨率（Resolution）理想鏡頭的焦平面上能分辨清的條紋之間的間距為=1.22 F其倒數(shù)即為理想鏡頭的分辨率， 為光的波長，F(xiàn)為光圈系數(shù)值NL = 1/(1.22 F)大多數(shù)便宜的鏡頭分辨率在50lp/mm，相當于水平分辨率700個像素，用于對分辨率要求不高的視覺系統(tǒng)，和相當于VGA級以下分辨率的相機相配。百萬像素級以上的鏡頭，鏡頭分辨率可達100lp/mm及以上，和相當于水平分辨率達1280的相機相配。光學

8、鏡頭的主要參數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF: Modulation Transfer Function)實際的鏡頭分辨率比理想鏡頭的分辨率要低很多。因此通常用MTF來表征鏡頭的實際分辨率。MTF定義為一定空間頻率時像面對比度與物面對比度之比，這里空間頻率用單位mm內(nèi)的線對數(shù)來表示。對于同一鏡頭，不同空間頻率處的MTF值是不同的，一般隨著空間頻率的增大，MTF越來越小，直至為零。MTF為零時的空間頻率為鏡頭的截至頻率，也用于表示鏡頭的實際分辨率光學鏡頭的主要參數(shù)調(diào)調(diào)制制傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)光學鏡頭的主要參數(shù)光學鏡頭的主要參數(shù)影響分辨率的主要因素：影響分辨率的主要因素：鏡頭結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工精度等

9、。其它因素：其它因素：鏡頭光圈越大，分辨率越高；光波長度，波長越短分辨率越高；同檔次的固定焦距鏡頭比變焦鏡頭分辨率高；短焦鏡頭一般邊緣分辨率比中心低，長焦鏡頭一般中心比邊緣分辨率低。影響鏡頭分辨率的因素影響鏡頭景深的因素景深和鏡頭的焦距、光圈、物距有關(guān)：景深和鏡頭的焦距、光圈、物距有關(guān)：光圈越小，景深越大；拍攝距離越大，景深越大；焦距越短，景深越大。鏡頭的焦距與視場角被攝物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變。畸變像差只影響成像的幾何形狀，而不影響成像的清晰度。鏡頭的畸變畸變定義為實際像高y 與理想像高 yo之差y - yo ，而在實際應用中經(jīng)常將其與理

10、想像高 yo 之比的百分數(shù)來表示畸變，稱為相對畸變,即鏡頭的畸變鏡頭的畸變短焦距鏡頭一般表現(xiàn)為桶形失真，長焦距鏡頭一般表現(xiàn)為枕形失真。人眼感覺不到小于2%的畸變。在進行精度較高的測量時，需要校正畸變！鏡頭的分類p定焦距鏡頭定焦距鏡頭p變焦距鏡頭變焦距鏡頭p特殊鏡頭特殊鏡頭微距鏡頭（Macro）顯微鏡頭（Micro）遠心鏡頭（Telecentric）紅外線鏡頭（Infrared）紫外線鏡頭（Ultraviolet）定焦距鏡頭按等效焦距分為：定焦距鏡頭按等效焦距分為：魚眼鏡頭：6-16mm超廣角鏡頭：17-21mm廣角鏡頭：24-35mm標準鏡頭：45-75mm 長焦鏡頭：150-300mm超長焦

11、鏡頭：300mm以上等效焦距：實際焦距43mm/鏡頭成像圓的直徑鏡頭的分類微距鏡頭（微距鏡頭（Macro Iens ）按德國的工業(yè)標準，成像比例大于1:1的稱為微距攝影范疇。這里我們所說的比率指像的大小與實物之間的比例關(guān)系，也就是鏡頭的放大率。35mm標準鏡頭最大拍攝比率為1:10。事實上放大率在1:11:4左右的都屬微距鏡頭，而放大率達到10:1200:1則屬顯微鏡頭。微距鏡頭使用專門的微距鏡頭，價格較高但成像質(zhì)量可以得到保證；帶微距檔的變焦鏡頭；使用接圈，通過增加鏡筒的長度來改變像距達到放大的目的，根據(jù)凸透鏡成像原理，當像距增加到二倍焦距處，影像與實物等大。由于接圈使用時放在鏡頭后面，一是

12、不夠靈活，二是影響通光量。微距鏡頭顯微鏡頭顯微鏡頭體視顯微鏡生物顯微鏡金相顯微鏡顯微鏡頭視差：視差： 對于同樣的物體，當靠近眼睛時，會比遠離眼睛時顯得大一點。這個現(xiàn)象也同樣出現(xiàn)在傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)中，即鏡頭的放大倍數(shù)是隨著物距變化而變化的。遠心鏡頭則糾正了傳統(tǒng)鏡頭的誤差，它可遠心鏡頭則糾正了傳統(tǒng)鏡頭的誤差，它可以在一定距離內(nèi)，使所成的像的尺寸不會以在一定距離內(nèi)，使所成的像的尺寸不會因為距離的變化而改變。因為距離的變化而改變。遠心鏡頭遠心鏡頭遠心指的是一種光學的設計模式：系統(tǒng)的出瞳和入瞳的位置在無限遠處。遠心鏡頭物方遠心鏡頭（入瞳位于無窮遠）：消除透視畸變遠心鏡頭遠心鏡頭像方遠心鏡頭（出瞳位于無窮遠

13、處）：獲得更好的像面照度均勻性鏡頭的接口類型接口類型接口類型法蘭后截距（法蘭后截距（mm）卡口環(huán)直徑（卡口環(huán)直徑（mm）C口17.52625.4CS口12.525.4F口46.547M4247.52642其中，法蘭后截距（Flange Back Focal Length）是指相機接口的定位面到相機靶面的距離。如何選擇鏡頭如何選擇鏡頭鏡頭的基本光學性能由焦距、相對孔徑（光圈系數(shù)）和視場角（視野）這三個參數(shù)表征。因此，在選擇鏡頭時，首先需要確定這三個參數(shù)，最主要是確定焦距，然后再考慮分辨率、景深、畸變、接口等其他因素。如何選擇鏡頭選擇鏡頭的基本步驟可以參考以下幾條：選擇鏡頭的基本步驟可以參考以下幾

14、條： 根據(jù)目標尺寸和測量精度，可以確定傳感器尺寸和像素尺寸、放大倍率等； 根據(jù)系統(tǒng)整體尺寸和工作距離，結(jié)合放大倍率，可以大概估算出鏡頭的焦距。焦距、傳感器尺寸確定以后，視場角也可以確定下來； 根據(jù)現(xiàn)場的照明條件確定光圈大小和工作波長； 最后考慮鏡頭畸變、景深、接口等其他要求。如何選擇鏡頭選型示例：選型示例：被測物體100100mm，精度要求0.1mm，相機距被測物體在200400mm之間，要求選擇合適的相機和鏡頭。如何選擇鏡頭分析如下：分析如下：被測物體是100 x100mm的方形物體，而相機靶面通常為4：3的矩形，因此，為了將物體全部攝入靶面，應該以靶面的短邊長度為參考來計算視場；系統(tǒng)精度要

15、求為0.1mm，100/0.1=1000，因此相機靶面短邊的像素數(shù)要大于1000；相機到物體的距離為200400mm，考慮到鏡頭本身的尺寸，可以假定物體到鏡頭的距離為200320mm，取中間值，則系統(tǒng)的物距為260mm；如何選擇鏡頭選型方案：選型方案： 根據(jù)估算的像素數(shù)目，可選定大恒CCD相機SV1410FM 靶面尺寸2/3英寸(8.8x6.6mm)，分辨率1392x1040，像元尺寸為6.45m。鏡頭放大率為=6.6/100=0.066，可以達到的精度為：像素尺寸/放大率=0.00645/0.066=0.098mm，滿足精度要求； 根據(jù)公式，鏡頭的焦距為f = L/(1+1/ )=260/(1+1/0.066)=16.1mm 則鏡頭可選擇Computar M1614-MP，其光圈數(shù)從F1.4到F16。如