鏡頭基本原理及概念

先介紹一下有關(guān)鏡頭且與視覺系統(tǒng)有關(guān)的基本概念（這些概念大家在開發(fā)或使用系統(tǒng)時，會用得到）。如圖所示：

1，成象面。成象面是入射光通過鏡頭后所成象的平面。這個面是一個圓形。
2，CCD芯片（或底片）。相機(jī)拍照的原理是一樣的，無論家用相機(jī)還是CCD相機(jī)。都是由一個裝置（CCD芯片或底片）來感光。大家在CCD相機(jī)的產(chǎn)品說明書中?？吹剑?/2",2/3",1/3"這是什么意思呢？這指的CCD芯片對角線長度，單位是英寸。一般上大家所使用的CCD相機(jī)，有1/2,2/3,1/3及1英寸4種大小。

小結(jié)1，成象面與鏡頭本身的設(shè)計(jì)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家的鏡頭由于設(shè)計(jì)或生產(chǎn)上達(dá)不到技術(shù)要求，所以成象面會較小。這就是為什么有些鏡頭不能支持1/2"或1"相機(jī)，而有些卻可以。現(xiàn)在大家可以明白了，這是因?yàn)檫@些鏡頭的成象面小過相機(jī)的CCD芯片，所以不能用在這種相機(jī)上。因此，大家在選用鏡頭時，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(jī)是否匹配。通常在鏡頭的規(guī)格說明書中都應(yīng)該有這一項(xiàng)：適用于多大尺寸的CCD。不過許多國產(chǎn)鏡頭的規(guī)格說明書中卻沒有。這一點(diǎn)大家最好留意，不要買了不能用的鏡頭。其實(shí)硬要用也可以，只不過你會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。這些鏡頭名稱里的數(shù)字就指的是鏡頭到成象面的距離，單位是MM。焦距，這個概念本身沒有太多含義，但是它和其他的概念卻有著直接關(guān)系。下面我們會一一解釋。
4，視角。視角不用多說，就是視線的角度，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。不過有一點(diǎn)需要提醒大家的是，普通的鏡頭都可以看到無限遠(yuǎn)，也就是說是沒有上限的。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刻有刻度的調(diào)節(jié)圈，一個是調(diào)節(jié)光圈的；另一個是調(diào)焦的。在調(diào)焦的刻度圈上會清楚地標(biāo)明此鏡頭的工作距離從最近到最遠(yuǎn)是多少到多少。
6，視野。視野是一個大家在論壇上常常聽別人提到的概念。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(qū)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(jié)2，以上幾個概念是相互有關(guān)聯(lián)的。其關(guān)系是：焦距越?。灰暯窃酱?；最小工作距離越短；視野越大。其實(shí)這幾個概念這間，是有計(jì)算公式可以相互換算的。不過那是搞光學(xué)的人的事情，和我們無關(guān)。以最常用的三種鏡頭（50MM，25MM，16MM）為例，大家只要簡單地記?。?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(yuǎn)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。舉個具體的例子。

真正作過系統(tǒng)應(yīng)用的人都會有過這樣的經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)所要安裝的環(huán)境往往是已經(jīng)確定的了。說白了就是，常常人家已經(jīng)預(yù)先留下一個空間給你，用來安裝你的視覺檢測系統(tǒng)。而這個空間就這么大，不能再大（或不能再?。?。那么首先系統(tǒng)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(dāng)然就不行。所以現(xiàn)在你就可以大概算出（看看鏡頭上調(diào)焦圈上的刻度）應(yīng)該用什么樣的鏡頭可以放到這么大的空間中去。

小結(jié)3，還有幾個相關(guān)的因素。一是鏡頭的畸變；二是鏡頭與光線強(qiáng)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？很簡單，如果你的系統(tǒng)是用來測量的（如長度），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(tǒng)只是用來認(rèn)識字符，那么畸變大小與你就沒什么關(guān)系，用什么鏡頭都可以。

光線與鏡頭又有什么關(guān)系呢？在燈源位置固定的情況下，光線的強(qiáng)度，與鏡頭的工作距離有直接關(guān)系。工作距離越遠(yuǎn)，光線強(qiáng)度就越弱（圖象亮度也就越暗）。二者間的關(guān)系是幾何級的，就是說工作距離增長一倍（由1變?yōu)?），光線就會弱4倍。同時，工作距離越長（鏡頭距被測物越遠(yuǎn)），所成圖象受噪光的影響就越大。比如說，機(jī)器在放在室內(nèi)運(yùn)行的，假設(shè)你的系統(tǒng)的工作距離很遠(yuǎn)，而你的視覺系統(tǒng)上方又剛好就有一盞燈的話（其實(shí)這常常會發(fā)生）。那么，你就很危險了，因?yàn)槟菬糸_還是沒開，甚至此燈的電壓穩(wěn)不穩(wěn)，都會直接影響你系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果。

結(jié)束前，我們來總結(jié)一下全篇：對于普通的鏡頭來說，應(yīng)該如何選擇鏡頭？
1，工作距離越近越好（當(dāng)然，這要根據(jù)系統(tǒng)的安裝環(huán)境而定）。
2，鏡頭的畸變越小越好（對于測量系統(tǒng)尤其重要）。
3，視野越大越好（能看多少看多少）

拋開那些高精度的測量系統(tǒng)不談。我只用過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(yuǎn)的情況下；16MM的鏡頭偶爾用在工作距離很近的情況下。其它沒了！

什么是鏡頭的畸變？這是光學(xué)范疇內(nèi)的問題，在光學(xué)中自有它自己的標(biāo)準(zhǔn)定義。我沒資格在這“開牙”，不過用通俗一點(diǎn)的話來講就是，用相機(jī)拍照所成的圖象會變形。舉個極端一點(diǎn)的例子，我們都有用家里的普通相機(jī)拍照留念的經(jīng)驗(yàn)。有一種鏡頭叫“廣角鏡頭”更狠一點(diǎn)的干脆就叫“魚眼鏡頭”，用這類鏡頭拍照片，你就會發(fā)現(xiàn)照片四邊處的成象是彎曲的。這種現(xiàn)象就是由于“鏡頭的畸變”所造成的。說“魚眼鏡頭”的例子極端，是因?yàn)椤棒~眼鏡頭”是一種大畸變鏡頭。

是鏡頭就有畸變，區(qū)別只是畸變有大有小。而對于視覺檢測系統(tǒng)來說，當(dāng)然希望所用的鏡頭畸變越小越好。這是因?yàn)橐曈X系統(tǒng)進(jìn)行檢測時，都是在相機(jī)成象的圖象上進(jìn)行的。如果相機(jī)成象就“歪”了的話，系統(tǒng)檢測所得出的結(jié)果也“正”不到哪去－－－－這就有點(diǎn)上梁不正下梁歪的意思

視覺系統(tǒng)對于鏡頭畸變的矯正，有兩種方法：即從硬件著手或是從軟件著手。從硬件著手的方法很簡單：用畸變很小的鏡頭就好了。這種鏡頭叫遠(yuǎn)心成象鏡頭（telecentric lens），價格昂貴，是普通鏡頭價格的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(shù)高精度的視覺測量系統(tǒng)，都用此類鏡頭；第二種方法是從軟件下手。在作“相機(jī)標(biāo)定”時，利用標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)模塊上的點(diǎn)陣來計(jì)算。具體的方法是：在完成了“相機(jī)標(biāo)定”后，根據(jù)已知的測量得出的點(diǎn)陣中每個點(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(nèi)圈的點(diǎn)的大小的不同。通過對比便可得出一個比值，這個比就是鏡頭的畸變。有了外個比值，在作實(shí)際測量時就可以對畸變作出矯正。不過除非是為了省錢－－－－省下買遠(yuǎn)心鏡頭的錢－－－－很少有人用軟件去矯正畸變，原因是計(jì)算太過復(fù)雜。