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       工业相机和镜头是视觉系统中的重要组成部分。选择合适的相机和镜头是构建一套高性价比视觉系统的基础和关键。因而作为一名视觉从业人员，必须具备相机和镜头方面的基础知识，为选型和系统设计提供理论支撑。

       为什么需要镜头？镜头等同于针孔成像中针孔的作用，所不同的是，一方面镜头的透光孔径比针孔大很多倍，能在同等时间内接纳更多的光线，使相机能在很短时间内（毫秒到秒级）获得适当的曝光；另一方面，镜头能够聚集光束，可以在相机胶片上产生比针孔成像效果更为清晰的影像；        任何物体都是内部结构和外部形状的有机结合，两者缺一不可。一颗镜头也具备这样的特质。首先，从镜头的内部结构来讲，镜头里包括组合结构的多枚透镜、光圈。透镜组包含不同种类，厚薄不一的透镜，但是镜头的成像品质并不与内部透镜的多少有关系。在某种程度上，单一透镜的定焦头的成像质量更好。光圈在镜头内部是用来控制进光量的多少的装置。光圈由多枚叶片构成一个圆形卡口，通过光圈叶片的开合控制图像感应器接收的光亮量。        其次，镜头的外部配有变焦环、对焦环、对焦距离等设置。变焦环是针对变焦镜头而言的，定焦镜头没有变焦环，调节变焦环可改变镜头视角，画面景别可自由变换。对焦环被调节时，内部镜头相应移动，可实现对焦。对焦距离，不同焦段或焦段区间的镜头都有对焦距离参数，这些参数都会被印刷在镜头上。在拍摄中，需要记住每一个镜头的最小对焦距离，过于凑近被摄物至超出最小距离将无法对焦。

       镜头内部的东西一般不需要用户考虑。你还记得以前的录像机上都贴有“严禁用户自行维修”的标签吗？这一点对大部分——如果不是全部——镜头也同样有效。你唯一需要了解的事情是，镜头内部各有不同数量和功能的镜片。        镜片中有些是固定在镜筒上的，有些则是可移动的。镜头头有可移动镜片（组）的主要原因是为了实现对焦、变焦或光学防抖。        镜头外部有很多不同的开关和标识。不同厂家的镜头外观看起来会有很大不同，不过上图中标出了主要的镜头标识。你能在镜头上发现的主要的开关是“MF/AF”切换键——用来在手动对焦和自动对焦之间切换。

       焦距，即焦长，是平行光入射时，从透镜光心到光线聚集之焦点的距离。在相机中，焦距是从镜片中心到底片或是CCD等成像平面的距离。为什么焦距很重要？镜头的焦距决定了视场，也就是镜头能够拍到多“宽”的画面。短焦距会产生较宽的视场——这就是短焦距镜头被称作“广角”镜头的原因。反之也成立：长焦距产生较窄的视场，这类镜头被称作“长焦”镜头。        有必要说明的是，凸透镜有两个焦点，分别在主光轴的两侧。在相机上，焦距以毫米为单位。比如35毫米镜头指的是镜头的焦距为35毫米。镜头的焦距决定了该镜头拍摄的被摄物体在成像平面上所形成影像的大小。假设以相同的距离面对同一被摄体进行拍摄，那么镜头的焦距越长，则被摄体在胶片或影像传感器上所形成的影像的放大倍率就越大。

       焦距越大，透镜越薄。焦距越小，透镜越厚。广角镜头中的透镜较厚，长焦镜头中的透镜较薄。

       焦距越大，透镜越薄，镜头角度越小；焦距越小，透镜越厚，镜头角度越大。        物距相同，成像范围相同，长焦距的镜头，镜头角度小；物距相同，成像范围相同，短焦距的镜头，镜头角度大。

       工业镜头经常提到的一个参数就是焦距了，也有叫视场角的。焦距是衡量镜头功能的最基本参数，但并不是所有镜头都是用焦距来描述的。镜头从视场角来分，可以分为三类：普通镜头、远心镜头、显微放大镜头，其中只有普通镜头是用焦距来描述，其他的都是用倍率来描述的，下图展示了三类镜头对应的视场角/焦距情况。        远心镜头和显微镜头的使用相对简单，基本都是在不同的工作距离下，显示不同的倍率。但是对于普通镜头来说，还涉及到聚焦和变焦两个概念，下图展示的就是“变焦”和“聚焦”的不同。

       早期的镜头都只有单一的焦距，但后来聪明的工程师开始思考：如果一支镜头能有不同的焦距该多好？换句话说：如果只用一支镜头就既能拍摄近处较大的物体（比如建筑和风光），又能拍摄远处较小的物体（比如足球场上的运动员）那该多好？        科学家们研究出一种改变镜头结构的方法，因此可以改变镜头的节点靠近或远离传感器。通过这种方法，他们发明了变焦镜头。当变焦镜头诞生后，就需要一个名字来称呼不可变焦的镜头——定焦镜头。

       物镜的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即F型、C型、CS型。F型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头；而当物镜的焦距约小于25mm时，因物镜的尺寸不大，便采用C型或CS型接口。        C与CS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的位置）的距离不同，C型接口此距离为17.5mm., CS型接口此距离为12.5mm.。        C型镜头与C型摄像机，CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用。C型镜头与CS型摄像机之间增加一个 5mm的C/CS转接环可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。

       镜头光学尺寸指的是镜头最大能兼容多大CCD芯片尺寸，相机之所以能成像是因为镜头把物体反射的光线打到了CCD芯片上面。直白点说就是镜头的镜片直径（严格的说叫设计相面尺寸）要大于CCD芯片尺寸。一般常见镜头的相面尺寸有1/3英寸、1/2英寸、2/3英寸、1英寸等，其中1/3英寸和1/2英寸常用于监控行业，成本较低，分辨力也较低。下图是各种相面尺寸对应的实际尺寸。镜头光学尺寸选择的依据是镜头相面尺寸大于等于CCD尺寸即可。

       视场(Field of view, 即FOV，也叫视野范围) ：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分（视场范围是选型中必须要了解的）。对于镜头而言，可观察到的视场跟镜头放大倍率及相机芯片选择有关。因此通常建议根据被观察物体的尺寸，先确定所需的视场，再确定相机芯片尺寸及镜头放大倍率。在实际工程项目中，考虑到机械误差等问题，视场通常要大于待观测物体的实际尺寸，以确保在机械误差的范围内，物体始终位于视觉系统的可视范围内。        工作距离(Working Distance,即WD):指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调？包括是否有安装空间等）。        光源工作距离（LWD）：一般是指光源物方端面到被照射物体表面的物理距离。        分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好。        景深 (Depth of view，即DOF)：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力。焦距越长,景深越小;焦距越短,景深越大。距离拍摄体越近时,景深越小;距离拍摄体越远时,景深越大。        焦距短，成像的景物越多，照片上的视野越广，容许弥散圈比较大。画出前景后景反射的光在焦点处的前后位置，这个时候焦深就出来了，焦深对应的景深的相对位置确定。具有短焦距的光学系统比长焦距的光学系统有更佳聚集光的能力。        焦距越长，最后生成的照片上的物体是越大的，这个时候容许弥散圈的直径越小。画出前景后景反射的光在焦点处的前后位置，这个时候发现焦深相比焦距短的镜头形成的焦深要短，对应的景深也就比较浅。        下图是海康威视MVL-HF0828M-6MPE镜头。        海康威视MVL-HF0828M-6MPE镜头技术参数如下图所示。

       感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视场非常重要。镜头主要缩放比例(PMAG) 由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸和视场，但PMAG却不属于基本参数。        焦距（f）：光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。（需要记住的公式）f={工作距离/视野范围长边（或短边）}XCCD长边（或短）。        焦距大小的影响情况：焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸变越大； 焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低。        光圈：是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1.4、f2、f2.8等等。光圈越大，图像亮度越高；景深越小；分辨率越高。大光圈和小光圈是相对的定义，大光圈指的是叶片打开，增加了镜头的进光量，景深比较浅，简单来说就是除了对焦的物体，其他照片其余部分会呈现出一种虚化的效果；适合拍摄人像、花卉、小摆件等。小光圈指的是镜头叶片收窄，缩小了镜头的进光量，实现景深比较深的效果，对焦可以设置为无限远，这样适合在拍摄比较大规模的场景，或者是合照的时候使用。大光圈代表着光圈的f值最小，小光圈的f值最大，我们要牢记光圈的大小调节和设置的f值的大小是相反的，大光圈小数值，小光圈大数值。        视场角：镜头中有一个参数是：视场角（DHV）如果使用1/2"芯片尺寸的相机的话，其为：51.9°42.5°32.4°。它为和视野大小不是一个概念，它的大小解决了视野大小，见下面的说明：在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。        视场角与焦距的关系：一般情况下，视场角越大，焦距就越短。以下列举几个实例：长焦距镜头视场角窄于40°，例如：镜头焦距2.5 mm，视场角为 45°左右。镜头焦距5.0 mm，视场角为 23°左右。镜头焦距7.5 mm，视场角为 14°左右。镜头焦距10 mm，视场角为 12°左右。镜头焦距15 mm，视场角为 8°左右。标准镜头：视角45度左右，使用范围较广。远摄镜头：视角40度以内，可在远距离情况下拍摄。广角镜头：视角60度以上，观察范围较大，近处图像有变形。

       光波长度的影响：在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。        光学放大倍数：用于计算主要缩放比例的公式如下：PMAG = 感光芯片尺寸 (mm) / 视场(mm)

       远心镜头特性：物方远心镜头可以消除透视畸变，像方远心镜头可以获得更好的像面照度的均匀性。

       光学放大倍率：机器视觉行业里提到的镜头光学放大倍率通常是指垂轴放大倍率，即像和物的大小之比。计算方法如下：        光学放大倍率=感光芯片长边/视野长边=像元尺寸/精度        可见，光学放大倍率和所选相机芯片及所需视场相关。        如：已知相机芯片为2/3英寸（8.8mm6.6mm)，视场长宽为：10mm 8mm。        如用长边计算，放大倍率=8.8mm/10mm=0.88x；        如用短边计算，放大倍率=6.6mm/8mm=0.825x；        此时应取小的倍率0.825x 作为待选镜头的光学放大倍率。否则，短边视场将不能满足要求。（若取0.88倍，则短边视场=6.6mm/0.88x=7.5mm