[硬件选型] 工业镜头之参数和选型

一. 前言

光学镜头在机器视觉系统中具有非常重要的地位，它的作用与人眼中的晶状体类似。它的基本功能就是实现光束变换（调制），在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。

一个光学镜头对像差校正的优良与否，即成像质量的好坏，可以通过像差的大小来衡量，一般较常见的像差类型有球差、像散、场曲、色差、畸变（枕型畸变–变小了，桶型畸变–变大了）、彗差等。

二. 镜头的分类

镜头按照实际用途可分为：

• FA镜头：Factory Automation的缩写，即工厂自动化的镜头，简称工业镜头。
• 远心镜头：主要是为了纠正传统工业镜头（FA镜头）视差而设计的，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍数不会变化。
• M12镜头：小螺纹口径镜头，整体尺寸都要远小于FA镜头和远心镜头，主要用于嵌入式视觉和板卡式相机。

相较于FA镜头而言，远心镜头畸变小、成像质量更高，所以远心镜头更适用于精度要求更高的场合（测量）（更多远心镜头的知识参考我的另一篇文章：[远心镜头] 物方远心、像方远心和双远心镜头的区别）；而FA镜头的光圈会比远心镜头大很大，即FA镜头对光源亮度要求会比较低，所以对于连续拍照而且精度要求不高的场合，优先选择FA镜头。

FA镜头按照焦距类型，还可进一步分为：

• 定焦镜头（CCTV镜头）：只有一个焦段，或者说只有一个视野，没有变焦功能。定焦镜头的设计相对变焦镜头而言要简单得多，但一般变焦镜头在变焦过程中对成像会有所影响，而定焦镜头的优点是对焦速度快，成像质量稳定。
• 变焦镜头：具有多款定焦镜头的焦段范围，可随时变换焦距，无需更换镜头。变焦镜头在不改变工作距离的情况下，可以通过变动焦距来改变成像视野大小，因此非常有利于画面构图。
• 鱼眼镜头：一种视角接近或等于180°的镜头，是一种极端的广角镜头。其主要用于制作基于现实场景的全景图象。
• 微距镜头：在需要近距离拍摄被测物时，普通的CCTV镜头没办法在较近的工作距离下清晰成像，这时可能会想到加一定数量的接圈来解决这个问题，然而加接圈的这种方式在一定程度上会降低镜头的成像性能。这时可以考虑微距镜头，微距镜头能做到普通CCTV镜头做不到的近距离成像，此外，微距镜头和普通CCTV镜头都能覆盖的工作距离区域内，微距镜头的成像性能更好。(畸变率：CCTV镜头(一般)>微距镜头(较好)>远心镜头(很好)；光圈大小：CCTV镜头>微距镜头>远心镜头)。

对变焦镜头和定焦镜头来说，同一种档次的变焦镜头的像差会比定焦镜头的大，导致变焦镜头的成像效果会差一些。因为变焦镜头需要折中考量，令在各种不同焦距情况下的成像质量都相对较好，而不能出现在某些焦距下很差的情况。所以，将定焦镜头应用于机器视觉应用系统是比较合适的，从成本角度来看，同级别定焦与变焦的差异，变焦镜头内部的结构设计以及镜片模组比定焦镜头更加复杂，生产和调试也更加复杂，所以成本上来说变焦镜头也更贵一些。

总结：

针对定焦镜头和变焦镜头而言，一般优先考虑定焦镜头，除非是有一些特殊原因，比如工作距离太近，定焦镜头满足不了，或者在检测中需要根据产品的大小来更改视野大小等才会考虑变焦镜头。

三. 镜头的重要参数

由于在实际机器视觉中，使用最多的就是FA定焦镜头（CCTV镜头），所以这里重点讨论FA定焦镜头的主要参数。普通FA定焦镜头一般由：各个光学透镜、光圈、对焦环、接口组成，如图所示：

在进行镜头的选型时，我们需要掌握普通镜头以下概念：

1、焦距： 镜头主点O到焦点F距离

焦距是指镜头的光学中心（光学后主点）到成像面焦点的距离。平行光通过镜头后汇聚于一点，这个点就是所说的焦点。焦距不仅仅描述镜头的屈光能力，且可作为图像质量的参考。常见的工业镜头焦距有5mm、8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm、75mm等多种规格。一般镜头失真度会随着焦距的减小而增大，因而选择测量镜头，不要选择小焦距（小于8mm）或大视场角的镜头

焦距与视角大小（成像视野）、工作距离、CCD芯片大小之间的关系如图所示：

其计算公式为：

工作距离 W D ：视角 ( 视野 ) 大小 = 焦距 f ： C C D 大小 工作距离WD：视角(视野)大小 = 焦距f：CCD大小工作距离WD：视角(视野)大小=焦距f：CCD大小

在实际镜头选型中，一般相机的芯片大小已知，那么保持其中一项变量不变，可以看出：

• 工作距离和焦距成正比：工作距离越长，需要的镜头焦距越长；工作距离越短，需要的镜头焦距越短。
• 视野大小和焦距成反比：要求成像视野越大，那么需要的镜头焦距越短；成像视野越小，那么需要的镜头焦距越长。

例：假设相机CCD为1/3”（高3.6mm），要求工作距离为200mm，视野水平距离不小于45mm。如下图所示：那么由于视野大小和工作距离成反比，所以镜头的焦距应不大于16mm。

2、光圈：控制通光量的大小

调焦环分为对焦环和变焦环：定焦镜头只有对焦环；变焦镜头有两个环：变焦环和对焦环。

• 对焦环：用于帮助镜头进行对焦。通过手动旋转可以改变镜头的距离，使镜片移动来放大（拉近）或者缩小（拉远）被摄物。对焦环本质上调节的是镜片和像平面之间的距离也就是像距来达到对焦的目的。
• 变焦环：用于改变镜头焦距。变焦环可改变视角，比如常见18-55镜头，数字代表焦距，不同焦距的视角不同，就需要变焦环来使其发生改变。变焦环本质上调节的是镜片和焦点之间的距离也就是焦距来达到变焦的目的。

3、光圈系数：衡量光圈大小的一个重要指标，它是镜头相对孔径的倒数。

光圈系数的计算公式为：

光圈系数 F = 焦距 f 通光孔径 D 光圈系数F = \frac{焦距f}{通光孔径D}光圈系数F=通光孔径D焦距f

相机的镜头上都会标写光圈系数这一指标，如图：1：1.4 = 焦距f ：通光孔径D，代表光圈数F为1.4

光圈系数F值越小，光圈的通光孔径D越大，在单位时间内的通光量越大。常用的光圈系数为F1.4（光圈最大）、F2.0、F2.8、F4.0、F5.6、F8.0、F11.0、F16.0、F22.0（光圈最小）等几个等级。

需要注意的是光圈孔径越大，景深越小，所以在视觉项目中要保证景深的前提下调整光圈大小，不可盲目通过增大光圈来提高亮度。有些视觉系统为了增加镜头的可靠性和降低成本，采用定光圈设计，即当光圈不能改变时，通过调整光源强调或相机增益来调整图像亮度。

4、景深：在通过对焦环对焦完成后，在焦点前后的范围内都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围，叫做景深。

景深与镜头的光圈、焦距、工作距离以及对像质的要求(表现为对容许弥散圆的大小)有关：

• 镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；　 反比
• 镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；　 反比
• 工作距离：工作距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。 正比

4、 镜头的MTF曲线： 此曲线用于评价镜头成像好坏的

曲线A所代表的镜头在低频段反差适中，但随着空间频率的提高，它的衰减过程很慢。说明其素质还是不错的。

曲线B所代表的镜头在低频表现很好，说明镜头的反差很好。但随着空间频率的提高。它的曲线衰减很快，说明镜头的分辨率不算很好。

曲线C所代表的镜头在低频时就很快衰减，综合素质较低。

• MTF曲线越高越好，越高说明镜头光学质量越好。综合反差和分辨率来看，MTF曲线以下包含面积越大越好。
• MTF曲线越平直越好，越平直越说明边缘与中间一致性好。边缘严重下降说明边角反差与分辨率较低。

4、 镜头接口与接圈： 和相机相连的部分，主要有C，CS，F三种接口。

• C接口和CS接口：工业工业相机最常见的国际标准接口，为1英寸—32UN英制螺纹连接口。C型接口和CS型接口的螺纹连接是一样的，区别在于C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm。因此，CS型接口的工业相机使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈。C型接口的工业相机不能用CS口的镜头。
• F接口镜头：尼康镜头的接口标准，所以又称尼康口，也是工业工业相机中常用的类型，一般工业相机靶面大于1英寸时需用F口的镜头。

注意：镜头最后一个面到CCD的靶面叫后截距，后截距不对，怎么调焦成像都不会清晰，这时候需要加一个接圈，即镜头接口与相机不匹配，需要加接圈。

例如：

正常情况下C接口需要C接口的相机上，CS接口需要安装在CS接口的相机上，如果C接口安装在CS接口的相机上，需要安装一个5mm的接圈。

在很多视觉项目中，如果想要将视野缩小，一种方式是换用长焦镜头；另一种方式则是通过加接圈的方式来实现：

• 优点：①加接圈使相距增大。②加接圈使工作距离变小。③加接圈使视野变小。④加接圈使图像放大。
  
• 缺点：①加接圈会使景深变小（会出现中间清晰，四周失真的情况）。（可通过减小光圈数，增大曝光的方式来增大景深）
  ②加接圈会使镜头的光强衰弱。特别是当接圈较长，线阵相机的情况，接圈损失光的情况会特别明显。
  

5、 与相机匹配的FA镜头相关尺寸参数：

3.5-8mm：变焦镜头的焦距范围

1：1.4：表示焦距f：通过孔径D，即光圈数F为1.4

1/3"：相机CCD芯片靶面对角线的尺寸，单位是英寸，注意一英寸在相机选型这里不等于25.4mm，而是等于16mm。

CS：镜头和相机之间的接口是CS接口。

注意：镜头的成像像面要大于等于CCD尺寸，如果小于CCD尺寸，则成像后小于的那部分会出现黑边。

6、 与相机匹配的远心镜头相关尺寸参数：以德鸿远心镜头为例

DH110：工作距离110mm；

025F28X：0.25倍的放大倍率，28mm的外径；

F3.5：3.5mm的景深

7、 镜头的分辨率：分辨率的含义是1mm内可分辨清晰的线对的数量，而一条线的最小宽度为一颗像素宽度。所以分辨率计算是每毫米的线对数，公式可以用对角线像素的个数/2倍传感器的对角线长度，也可以用1mm除以两倍像元的尺寸进行计算，单位是“ 线对 / 毫米” 。

8、 畸变：由于成像过程中局部放大倍率不一致而造成的物象不相似的现象。畸变像差只影响成像的几何形状，而不影响成像的清晰度。焦距越小，视场角越大，视野越大，畸变程度越大。

应对措施：

1）使用低畸变镜头
2）同视野大小，选用长焦距的镜头
3）标定图像扭曲校正：和尺寸测量相关的项目中，会对畸变有所要求，但是这种平面畸变可以通过图像标定克服，不一定要改善硬件。

四. 镜头选型实战演练

1、 已知客户观察范围为30mm* 30mm，工作距离为100mm，相机分辨率为1294 px x 964 px，像元尺寸为3.75um x 3.75um，那么需要多少焦距的镜头？

（1）FA镜头选型：

由公式：相机靶面 = 分辨率*像元尺寸，得出相机芯片靶面的垂直方向尺寸为：964 * 3.75um = 3.6mm。

再由公式：工作距离：视野长边（或短边） = 焦距：CCD长边（或短边） ，得：FA镜头：焦距 f =（100*3.6）/30

注：

• 实际选型时注意选择焦距接近但要比计算值小的镜头。因为焦距偏大，可能会导致视野偏小，检测不到完整的物体图像。
• 镜头的最大兼容芯片尺寸需要大于或等于相机芯片尺寸，不然成像会出现黑边。

（2）远心镜头选型：

• 方式一：
  光学放大倍率 = CCD尺寸：视野大小 = 3.6 / 30 = 0.12，则选用放大倍率为0.12远心镜头。
• 方式二：
  光学放大倍率 = 像高：物高 = 像元尺寸：像素精度 =(3.75 / 1000mm) / (30mm / 964pix)= 0.12

2、 已知客户要求的系统分辨率为0.06mm,像元大小为4.7um，工作距离大于100mm，光源采用白色LED灯，那么需要多少焦距的镜头？

解：

焦距计算 ：

由成像放大倍率公式：线放大倍率 （M）= 像距（v）：物距 （u）= 像高：物高         ①

计算得出（注意单位统一）：成像放大倍率 M = 像高：物高 = 像元大小：精度 = 4.7/(0.06* 1000)

再由高斯成像公式：1/u + 1/v = 1/f（物距：u 像距：v 焦距：f ）                            ②

由 ① ② 得镜头的焦距 f = u*M/(M+1) = …

注意：客户如果没有变焦要求，选择定焦镜头就可以；如果带有测量功能的尽量用畸变小的镜头或者远心镜头。

总结：镜头的选型大致分为一下几个方面：

1）根据相机芯片大小和工作空间限制确定使用镜头的焦距或者放大倍数；

2）考虑是否需要选用远心镜头；

3）确定镜头分辨率；

4）确定畸变率能否满足要求；

5）景深是否满足要求；

6）镜头是否兼容相机芯片尺寸； 靶面尺寸大于相机的CCD或CMOS尺寸，不然成像会出现黑边。

7）超大视野或超小视野；

8）镜头是否要配合其他配件；

9）价格是否合理等其他问题。

核心：普通镜头参数主要看焦距，而远心镜头参数主要看放大倍率和工作距离（物距）。