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）。相機拍照的原理是一樣的，無論家用相機還是CCD相機。都是由一個裝置（CCD芯片或底片）來感光。大家在CCD相機的產(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，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)計或生產(chǎn)上達不到技術(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，而有些卻可以?，F(xiàn)在大家可以明白了，這是因為這些鏡頭的成象面小過相機的CCD芯片，所以不能用在這種相機上。因此，大家在選用鏡頭時，用注意的第一點，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(guī)格說明書中都應(yīng)該有這一項：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。這一點大家最好留意，不要買了不能用的鏡頭。其實硬要用也可以，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。不過有一點需要提醒大家的是，普通的鏡頭都可以看到無限遠，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??；視角越大；最小工作距離越短；視野越大。其實這幾個概念這間，是有計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，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（或不能再小）。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，光線的強度，與鏡頭的工作距離有直接關(guān)系。工作距離越遠，光線強度就越弱（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），所成圖象受噪光的影響就越大。比如說，機器在放在室內(nèi)運行的，假設(shè)你的系統(tǒng)的工作距離很遠，而你的視覺系統(tǒng)上方又剛好就有一盞燈的話（其實這常常會發(fā)生）。那么，你就很危險了，因為那燈開還是沒開，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)中自有它自己的標準定義。我沒資格在這“開牙”，不過用通俗一點的話來講就是，用相機拍照所成的圖象會變形。舉個極端一點的例子，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，是因為“魚眼鏡頭”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，當然希望所用的鏡頭畸變越小越好。這是因為視覺系統(tǒng)進行檢測時，都是在相機成象的圖象上進行的。如果相機成象就“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“相機標定”時，利用標定標準模塊上的點陣來計算。具體的方法是：在完成了“相機標定”后，根據(jù)已知的測量得出的點陣中每個點的大小值，去分析點陣中處于外圍的點的大小，與處于點陣內(nèi)圈的點的大小的不同。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－－－－省下買遠心鏡頭的錢－－－－很少有人用軟件去矯正畸變，原因是計算太過復(fù)雜。