光學(xué)镜头基础知识

光學(xué)镜头是机器视觉系统中必不可(kě)少的部件,直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和效果。另外争取选择合适的镜头，降低机器视觉系统成本，才是产业兴旺发达的唯一出路。光學(xué)镜头规格繁多(duō)，有(yǒu)时不免头晕。光學(xué)镜头从焦距上可(kě)分(fēn)為(wèi)短焦镜头、中焦镜头，長(cháng)焦镜头；从视场大小(xiǎo)分(fēn)有(yǒu)广角、标准，遠(yuǎn)摄镜头；结构上分(fēn)有(yǒu)固定光圈定焦镜头，手动光圈定焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈電(diàn)动变焦镜头，電(diàn)动三可(kě)变（光圈、焦距、聚焦均可(kě)变）镜头等。根据我们使用(yòng)的经验，俄罗斯的光學(xué)镜头很(hěn)便宜。

结构上分(fēn)：

1、固定光圈定焦镜头

简单。镜头只有(yǒu)一个可(kě)以手动调整的对焦调整环，左右旋转该环可(kě)使成像在CCD靶面上的图像最清晰。没有(yǒu)光圈调整环，光圈不能(néng)调整，进入镜头的光通量不能(néng)通过改变镜头因素而改变，只能(néng)通过改变视场的光照度来调整。结构简单，价格便宜。

2、手动光圈定焦镜头

手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环，光圈范围一般从F1.2或F1.4到全关闭，能(néng)方便地适应被拍摄现场地的光照度，光圈调整是通过手动人為(wèi)进行的。光照度比较均匀，价格较便宜。

3、自动光圈定焦镜头

在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个齿轮合传动的微型電(diàn)机，并从驱动電(diàn)路引出3或4芯屏蔽線(xiàn)，接到摄像机自动光圈接口座上。当进入镜头的光通量变化时，摄像机CCD靶面产生的電(diàn)荷发生相应的变化，从而使视频信号電(diàn)平发生变化，产生一个控制信号，传给自动光圈镜头，从而使镜头内的電(diàn)机做相应的正向或反向转动，完成调整大小(xiǎo)的任務(wù)。

4、手动光圈变焦镜头

焦距可(kě)变的，有(yǒu)一个焦距调整环，可(kě)以在一定范围内调整镜头的焦距，其可(kě)变比一般為(wèi)2～3倍，焦距一般為(wèi)3.6~8mm。实际应用(yòng)中，可(kě)通过手动调节镜头的变焦环，可(kě)以方便地选择被监视地市场的市场角。但是当摄像机安装位置固定下以后，在频繁地手动调整变焦是很(hěn)不方便的。因此，工程完工后，手动变焦镜头的焦距一般很(hěn)少调整。仅起定焦镜头的作用(yòng)。

5、自动光圈電(diàn)动变焦镜头

与自动光圈定焦镜头相比增加了两个微型電(diàn)机，其中一个電(diàn)机与镜头的变焦环合，当其转动时可(kě)以控制镜头的焦距；另一電(diàn)机与镜头的对焦环合，当其受控转动时可(kě)完成镜头的对焦。但是，由于增加了两个電(diàn)机且镜片组数增多(duō)，镜头的體(tǐ)积也相应增大。

6、電(diàn)动三可(kě)变镜头

与自动光圈電(diàn)动变焦镜头相比，只是将对光圈调整電(diàn)机的控制由自动控制改為(wèi)由控制器来手动控制。

场合上分(fēn)：

按视场大小(xiǎo)分(fēn)為(wèi)：小(xiǎo)视场镜头，普通镜头（约50度左右），广角镜头和特广角镜头（100－120度）

1、标准镜头：视角约50度，也是人单眼在头和眼不转动的情况下所能(néng)看到的视角，所以又(yòu)称為(wèi)标准镜头。5mm相机的标准镜头的焦距多(duō)為(wèi)40mm，50mm或55mm。120相机的标准镜头焦距多(duō)為(wèi)80mm或75mm。CCD芯片越大则标准镜头的焦距越長(cháng)。

２、广角镜头：视角90度以上，适用(yòng)于拍摄距离近且范围大的景物(wù)，又(yòu)能(néng)刻意夸大前景表现强烈遠(yuǎn)近感即透视。35mm相机的典型广角镜头是焦距28mm，视角為(wèi)72度。120相机的50，40mm的镜头便相当于35mm相机的35，28mm的镜头。

３、長(cháng)焦距镜头：适于拍摄距离遠(yuǎn)的景物(wù)，景深小(xiǎo)容易使背景模糊主體(tǐ)突出，但體(tǐ)积笨重且对动态主體(tǐ)对焦不易。35mm相机長(cháng)焦距镜头通常分(fēn)為(wèi)三级，135mm以下称中焦距，135－500mm称長(cháng)焦距，500mm120相机的150mm的镜头相当于35mm相机的105mm镜头。由于長(cháng)焦距的镜头过于笨重，所以遠(yuǎn)镜头的设计，即在镜头后面加一负透镜，把镜头的主平面前移，便可(kě)用(yòng)较短的镜體(tǐ)获得镜體(tǐ)長(cháng)焦距的效果。

４、反射式望遠(yuǎn)镜头：是另一种超望遠(yuǎn)镜头的设计，利用(yòng)反射镜面来构成影像，但因设计的关系无法装设光圈，仅能(néng)以快门来调整曝光。

５、微距镜头（marcolens）：除作极近距离的微距摄影外，也可(kě)遠(yuǎn)摄。

接口类型来分(fēn)：

1、C型镜头

法兰焦距是安装法兰到入射镜头的平行光的汇聚点之间的距离。法兰焦距為(wèi)17.526mm或0.690in。镜头可(kě)以用(yòng)在長(cháng)度為(wèi)0.512in(13mm)以内的線(xiàn)阵传感器。但是，由于几何变形和市场角特性，必须鉴别短焦镜头是否合用(yòng)。如焦距為(wèi)12.6mm的镜头不应该用(yòng)長(cháng)度大于6.5mm的線(xiàn)阵。如果利用(yòng)法兰焦距尺寸确定了镜头到列阵的距离，则对于物(wù)方放大倍数小(xiǎo)于20倍时需增加镜头接圈。接圈加在镜头后面，以增加镜头到像的距离，以為(wèi)多(duō)数镜头的聚焦范围位5－10％。镜头接長(cháng)距离為(wèi)焦距/物(wù)放大倍数。

2、CS型镜头

3、U型镜头

一种可(kě)变焦距的镜头，其法兰焦距為(wèi)47.526mm或1.7913in，安装罗纹為(wèi)M42×1。主要设计作35mm照片应用(yòng)（如國(guó)产和进口的各种135相机镜头），可(kě)用(yòng)于任何長(cháng)度小(xiǎo)于1.25in(38.1mm)的列阵。建议不要用(yòng)短焦距镜头。442mm镜头、3L型镜头

固定焦距宽视场镜头，最初设计作照相放大作用(yòng)（如國(guó)产各种放大机镜头），且在2.25in(63.5mm)视场内具有(yǒu)良好的特性。法兰焦距是具體(tǐ)镜头的函数。安装螺纹為(wèi)M39×1。可(kě)用(yòng)于長(cháng)度為(wèi)1.25in(35.1)以内的列阵，且不受限制。

4、特殊镜头

如显微放大系统。要特别注意CS和C的差别，不同类型的camera和不同类型的Len连接时，要定制转接环。光學(xué)镜头的主要参数和评价主要参数有(yǒu)焦距，视场，物(wù)距，光圈，快门等。

对于镜头最完善的评价莫过于MTF（ModulationTransferFunction）。但是由于像差（标定的原因），镜头的每个范围都有(yǒu)一个MTF值。这些范围指的是：

1）近轴部分(fēn)

2）离轴部分(fēn)

3）当光學(xué)系统存在不对称畸变时，上述两部分(fēn)在不同方向上的子部分(fēn)。每个部分(fēn)对于不同的辐射能(néng)量波長(cháng)范围，都有(yǒu)各自相应的MTF值。MTF是评价成像系统的最常用(yòng)、最优的指标，也是指导机器视觉系统集成的最优指标。

光圈常识

照相机的镜头有(yǒu)一个控制透光量的装置，就叫光圈。光圈开的大，透光量便大；开的小(xiǎo)，透光量便小(xiǎo)，但只靠光圈还不能(néng)完全描述作用(yòng)于软片上的光線(xiàn)强度，镜头与软片间的距离也有(yǒu)关系，也就是和镜头的焦距有(yǒu)关系，焦距小(xiǎo)光圈离软片较近，光線(xiàn)的作用(yòng)便较强。

光圈的功能(néng)

1、控制光量的透入：光線(xiàn)透过镜头射到软片的强度是和光圈系数平方成反比，也就是相邻两级的光圈作用(yòng)于软片上的光線(xiàn)强度有(yǒu)两倍的关系。

2、调节景深：所谓的景深，就是镜头对焦处前后所能(néng)成像清晰的范围，它镜头焦距，光圈，及被摄景物(wù)主體(tǐ)的距离有(yǒu)关。镜头焦距越短，光圈越小(xiǎo)，被摄物(wù)的距离，景深越大清晰的范围越大；反之亦然，所以就光圈来讲，小(xiǎo)光圈景深大，清晰细密的表出遠(yuǎn)近的明锐感；大光圈景深小(xiǎo)，则可(kě)使主體(tǐ)突出，表现主體(tǐ)以外前后主题的模糊感，值得一提的是，若要前后景物(wù)都清晰，应使用(yòng)小(xiǎo)光圈，但以小(xiǎo)到能(néng)涵盖希望的景深即可(kě)，不必过小(xiǎo)，过小(xiǎo)便会受到绕射的影响，反而降低其解像力。

快门常识

相机的快门是控制曝光时间長(cháng)短的机关，快门经常处于关闭状态，已防装在相机内的底片露光，摄影时将它一开一闭，让透过镜头的影像光線(xiàn)作用(yòng)于软片上。早期的座架式相机没有(yǒu)快门装置。仅备一镜头盖套在镜头上，取景对焦时取下镜头盖，套上镜头盖再装感光片，摄影时将镜头盖掀开一刹那时间遂即盖上。现在快门已进步到由机械或電(diàn)子操纵开启时间。快门的功能(néng)分(fēn)述如下：

１、开启时间的長(cháng)短来控制透入光量的多(duō)少，假若被摄體(tǐ)的明度和镜头的光圈不变，快门开启时间長(cháng)，作用(yòng)于软片的光量多(duō)，快门开启时间短，作用(yòng)于软片的光量少。快门开启时间的長(cháng)短叫做快门速度（Shutterspeed)。為(wèi)便于调整曝光，镜头快门相机的镜头上装有(yǒu)快门速度调整环，焦面快门相机（较普遍）的机身上装有(yǒu)快门速度调整环。在快门速度调整环上，将快门速度分(fēn)為(wèi)若干级。

２、配合光圈曝光：摄影曝光正确，才能(néng)产生层次丰富细节清晰的照片。曝光要正确，必须按照软片速度与光圈强弱，将快门速度和光圈适当配合。控制镜头进光量，需要由镜头的所谓"孔径光阑"来控制。孔径光阑都是位于镜头内部，通常由多(duō)片可(kě)活动的金属叶片(称為(wèi)光阑叶片)组成，可(kě)以使中间形成的(近似)圆孔变大或者缩小(xiǎo)，以达到控制通过光量大小(xiǎo)的目的。

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