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深度解析工業(yè)鏡頭核心參數(shù)

美國國家航空NASA宣布在火星上發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水引起了不小的震動，我們在驚嘆前沿的航天技術(shù)時(shí)，不免也會驚嘆于其中的影像資料，這就和本文的內(nèi)容有些關(guān)系了。其實(shí)不管是民用攝影、光譜成像還是機(jī)器視覺，鏡頭都在其中承擔(dān)了極其關(guān)鍵的作用。本文重點(diǎn)用普通人都能理解的白話文講述工業(yè)鏡頭中的一些核心參數(shù)，當(dāng)然其原理也通用于其他領(lǐng)域。

工業(yè)鏡頭的成像原理和我們常用的單反相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)攝像模組等光學(xué)成像裝置一樣，都是凸透鏡小孔成像。其不同之處，主要在于鏡頭接口和應(yīng)用場合不同。本文將分別針對鏡頭的物理接口、光學(xué)尺寸、焦距倍率、畸變、清晰度以及民用鏡頭中涉及到的光學(xué)防抖、數(shù)字/光學(xué)變倍、自動對焦等概念進(jìn)行詳述。

一、鏡頭的物理接口

     其實(shí)鏡頭的物理接口是非常簡單的參數(shù)，說白了就是鏡頭和相機(jī)連接的物理接口方式。工業(yè)鏡頭常用接口形式有：C口、CS口、F口等，其中C/CS是專門用于工業(yè)領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)接口，鏡頭選擇什么接口以相機(jī)的物理接口為準(zhǔn)。如下圖所示：

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二、光學(xué)尺寸

鏡頭光學(xué)尺寸指的是鏡頭能兼容多大CCD芯片尺寸，相機(jī)之所以能成像是因?yàn)殓R頭把物體反射的光線打到了CCD芯片上面。直白點(diǎn)說就是鏡頭的鏡片直徑（嚴(yán)格的說叫設(shè)計(jì)相面尺寸）要大于CCD芯片尺寸。一般常見鏡頭的相面尺寸有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英寸常用于監(jiān)控行業(yè)，成本較低，分辨力也較低。下圖是各種相面尺寸對應(yīng)的實(shí)際尺寸。鏡頭光學(xué)尺寸選擇的依據(jù)是鏡頭相面尺寸大于等于CCD尺寸即可。

三、工業(yè)鏡頭焦距/倍率

工業(yè)鏡頭經(jīng)常提到的一個(gè)參數(shù)就是焦距了，也有叫視場角的。焦距是衡量鏡頭功能的最基本參數(shù)，但并不是所有鏡頭都是用焦距來描述的。鏡頭從視場角來分，可以分為三類：普通鏡頭、遠(yuǎn)心鏡頭、顯微放大鏡頭，其中只有普通鏡頭是用焦距來描述，其他的都是用倍率來描述的，下圖展示了三類鏡頭對應(yīng)的視場角/焦距情況。

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遠(yuǎn)心鏡頭和顯微鏡頭的使用相對簡單，基本都是在不同的工作距離下，顯示不同的倍率。但是對于普通鏡頭來說，還涉及到聚焦和變焦兩個(gè)概念，下圖展示的就是“變焦”和“聚焦”的不同。

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四、工業(yè)鏡頭的

“畸變”就是鏡頭的變形或失真，這個(gè)概念在民用領(lǐng)域幾乎很少提及，因?yàn)槿搜蹖D像變形的識別精度很低。而在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是基于視覺技術(shù)的測量應(yīng)用，對鏡頭畸變這個(gè)參數(shù)要求的。首先我們先了解什么是鏡頭“畸變”，由下圖可知畸變其實(shí)是因?yàn)榕恼窄h(huán)境的原因?qū)е络R頭給出了“錯誤”的圖像，畸變產(chǎn)生的原因主要是凸透鏡成像原理造成的，畸變時(shí)無法消除的，只能不斷改善。

一般情況下，改善畸變有2種辦法：一種是通過軟件算法把鏡頭的畸變系數(shù)（也就是該鏡頭在當(dāng)前距離下拍照時(shí)的變形特點(diǎn)）計(jì)算出來，一般常用的圖像處理平臺都包含有標(biāo)定模塊，像OpenCV、Halcon、CCAS等；另一種就是通過光路設(shè)計(jì)，從鏡頭硬件本身消除畸變的影響，上文中提到的“BTOS雙遠(yuǎn)心鏡頭”就是一種非常典型的“零畸變”鏡頭。

五、清晰度

工業(yè)鏡頭的清晰度，嚴(yán)格意義上應(yīng)該叫做解像力或分辨力（注意不是分辨率），所描述的是鏡頭分辨細(xì)節(jié)的能力。具體是指在成像平面上1毫米間距內(nèi)能分辨開的黑白相間的線條對數(shù)，單位是“線對/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）。

工業(yè)鏡頭對黑白等寬的測試線對圖并不是無限可分辨的。當(dāng)黑白等寬的測試線對密度不高的時(shí)候，成像平面處黑白線條是很清晰的。當(dāng)黑白等寬的測試線對密度提高時(shí)，在成像平面處還是可以分辨出黑白線條，但是白線已不是那么白了，黑線也不是那么黑了，白線黑線的對比度就會下降。當(dāng)黑白等寬的測試線對密度提高到某一程度，在成像平面處黑白線的對比度非常小，黑白線條都變成了灰的中間色了，這就到了工業(yè)鏡頭分辨的極限。如下圖所示：

另一種客觀的鏡頭分辨力描述方法就是曲線，要想把MTF曲線圖理解的很充分，需要花費(fèi)較多的時(shí)間和精力，本文盡可能的嘗試以一種簡單的話術(shù)把這件事情解釋清楚。下圖是對MTF調(diào)制傳遞函數(shù)的簡單說明。

那么作為系統(tǒng)集成商或鏡頭的直接使用人來說，我們沒有必要像工業(yè)鏡頭研發(fā)人員一樣去把這個(gè)概念了解的那么，我們只需要能看明白市面上廠商公布的各自工業(yè)鏡頭參數(shù)即可。比如說：百萬像素工業(yè)鏡頭、五百萬像素工業(yè)鏡頭等，這說的其實(shí)是鏡頭可以兼容多大分辨率的工業(yè)相機(jī)，這個(gè)參數(shù)是廠家根據(jù)自己鏡頭MTF曲線的結(jié)果，大致推薦該鏡頭該配多少分辨率的工業(yè)相機(jī)。一般情況下，如果普通的視覺檢測項(xiàng)目，可以配普通鏡頭，如果是高精密微米級檢測，那么必須采用專業(yè)雙遠(yuǎn)心鏡頭。

以上就是工業(yè)鏡頭選型時(shí)必須重點(diǎn)考慮的幾個(gè)參數(shù)，但是對于一些還接觸過單反相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)的人來說，還經(jīng)常聽到兩個(gè)概念：光學(xué)防抖和數(shù)字/光學(xué)變焦，下面逐一解釋下。

• 光學(xué)防抖：光學(xué)防抖是通過物理減震裝置使得手持相機(jī)拍照時(shí)，不會因?yàn)槿耸值亩秳佣a(chǎn)生“散焦”現(xiàn)象，這是民用相機(jī)才會用到的東西，在工業(yè)鏡頭中是不會采用這種技術(shù)的。

• 光學(xué)/數(shù)字變焦：光學(xué)變焦指的是利用電機(jī)驅(qū)動或手動的方式改變鏡頭的焦距，就是上文中講過的鏡頭變焦。一般我們的單反相機(jī)或數(shù)碼相機(jī)在拍攝遠(yuǎn)處景物時(shí)，鏡頭會伸長，這就是光學(xué)變焦。數(shù)字變焦主要在手機(jī)模組上用的多，因?yàn)槭謾C(jī)攝像頭體積很小，無法做很大的光學(xué)變焦鏡頭。所以手機(jī)攝像頭在拍攝遠(yuǎn)景時(shí)，其實(shí)是對局部圖像進(jìn)行數(shù)字放大，再采用像素插值的方式讓圖像變得清晰。所以光學(xué)變焦是真正的獲取到了遠(yuǎn)處景物的更多信息，而數(shù)字變焦在圖像放大后并沒有獲取更多圖像信息。工業(yè)檢測中用的鏡頭全部都是光學(xué)變焦或變倍。

機(jī)器視覺是一個(gè)橫跨很多專業(yè)的綜合性行業(yè)，在立項(xiàng)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求考慮很多問題，本文僅談一些關(guān)于工業(yè)鏡頭的核心參數(shù)。