在机器视觉系统中，镜头作为机器的眼睛，其主要作用是将目标物体的图像聚焦在图像传感器(相机)的感光元件上。 数据系统处理的所有图像信息都必须通过镜头获得，镜头的质量直接影响整个视觉系统的性能。

这次的镜头教室将简单介绍机器视觉工业镜头的相关参数。

01

这是焦距(EFL )

定义

从镜头中心到像侧焦点的距离。

光学系统中的焦距用于测量光学系统聚焦或发散光的能力。

焦距示意图

我该如何理解焦距和视角的关系？

对于同一个受光元件，组合的镜头焦距越长，视角越小，反之亦然(排除枕形畸变的影响)。

可以根据以下照片直观地感受到

注：使用相同的感光芯片

02

光圈数(F.No ) )。

定义

焦距(EFL )和入射光瞳) d、物体侧空间中的光圈的像)之比，即F.No=EFL/D。

F.No数的大小如何影响画面的亮度、景深及组装灵敏度呢？

a .画面亮度

F.No数的大小决定了进入光学系统的能量的量。

F.No越大，进入光学系统的光越少，画面变暗；F.No越小，进入光学系统的光越多，画面变得明亮。

如下图所示。

注：这个默认的照相机曝光时间、增益等参数是一定的。

b .景深

在所有其他参数一致的前提下，F.No越大，景深越大； F.No越小，景深越小。

c .组装灵敏度

F.No越大，对图像安装倾斜度的灵敏度越低，组装越容易； F.No越小，对图像安装倾斜的灵敏度越高，组装越不容易。

03

应变)。

定义

在光学系统中，光学镜头固有的透视失真决定了实际成像相对于物体的失真程度。

光学畸变

OP

距离

光学失真是指物体通过光学系统形成的像对物体自身来说失真的程度。

光学失真的计算方法：

op.dist(% ) )实像高-理想像高) /理想像高 100%

电视失真

电视

距离

电视失真是实际拍摄图像时图像的失真程度。

电视失真的计算方法：

TV.dist(% )=) H1-H2 )/H

TV应变分为枕形应变和桶形应变，对角线向外延伸的变形(应变值为正)称为枕形应变，相反对角线向内收缩的变形(应变值为负)称为桶形应变。

04

“视角”)。

定义

透镜在受光元件上可见空间角度范围，即光学系统的入射光瞳中心对物体的张角或出射光瞳中心对像的张角。

视角与焦距(EFL )的关系：

设y为传感器的半对角线的长度，则不考虑光学系统的变形，对角线的视角(2)=2*Arctan ) y/EFL )如下图所示。

注：视角与镜头焦距、传感器目标面大小和镜头失真有关。

a .在镜头焦距相同的情况下，Sensor目标面越大，视角越大；

b .在传感器目标面相同情况下，镜头的焦距越小，视角越大；

C .镜头焦距与Sensor目标面相同时，枕形(负)畸变越大视场角越大。

05

清晰度) ) )。

定义

综合表现分辨率和对比度的结果。

也称为分辨率、解析力、分辨率、分辨率，是指镜头清晰再现被摄体细节的能力，分辨率越高的镜头拍摄的图像越清晰细腻。

分辨率也可以用像面上的镜头在单位MM以内可以识别的线对数表示。 单位为LP/MM，可识别的线对数越多，表示镜头分辨率越高。 如下图所示。

所谓对比度，是表示图像最亮的地方和最暗的地方的差异； 用MTF(modulationtransferfunction调制传递函数)表示，MTF记述了对光学系统的各频率成分的对比度的传递特性，用以下的公式表示。

这里，I’max和I’min表示图像的最大和最小灰度值，Imax和Imin表示图像的最大和最小灰度值。

显然，调制度介于0和1之间，调制度m越高意味着对比度越大。如果图像中的最大亮度和最小亮度相等，则对比度完全消失，调制度为0。

下图为分辨率为10LP/MM、MTF在0.05~0.4之间的比较图像。 由下图可知，人眼可接受的最小分辨率的MTF值介于0.15~0.2之间。

MTF如何影响整个镜头的成像效果？

低频时的MTF值决定图像的对比度，高频

时的MTF值决定了图像的分辨力，MTF的优劣直接影响到镜头的整体成像效果，如下图：

A曲线: 曲线平滑下降,说明图像的解像力和对比度均达到了较好的水平，见A图;

B曲线: 低频率时的MTF值持续很高,说明图像的对比度很好；但是高频率时的MTF很低，说明图像的解像力较差，见B图；

C曲线: 低频率时的MTF值下降较快，说明图像对比度较差;高频时的MTF较B曲线高，说明图像解像力效果比B好，见C图；

06

相对照度(Relative Illumination)

定义

图像边缘亮度与中心亮度的比值。Sensor表面不同位置的照度的大小与该处入射于像面的光线入射角的Cosin四次方成正比。

相对照度<1?

相对照度＜1的原因：中心视场与边缘视场的有效通光孔径不同(如左图)，造成中心与边缘的亮度差异。

07

景深(Depth of Field)

定义

能够在像平面上呈现清晰的像的物方空间深度范围。

那么景深是如何计算的？又和哪些因素有关呢？

可成清晰像的最远的物平面称为远景平面，它与对准平面的距离成为后景深△L1；能成清晰像的最近物平面称为近景平面，它与对准平面的距离称为前景深△L2；景深=前景深+后景深，如下图所示：

前景深 ΔL1= FδL²/ (f² + FδL)

后景深 ΔL2= FδL²/ (f² – FδL)

景深 ΔL =ΔL1+ΔL2=2f²FδL²/( f 4- F²δ²L²)

δ——容许弥散圆直径

f——镜头焦距

F——镜头的拍摄光圈值

L——对焦距离

ΔL1—— 前景深

ΔL2——后景深

ΔL——景深

由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用的F.No 、 f焦距、拍摄距离以及对图像质量的要求(表现为容许弥散圆的大小)有关。

这些主要因素对景深的影响如下(假定其他的条件都不改变)：

a. 镜头光圈：

光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

b. 镜头焦距:

镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；

c. 拍摄距离:

距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

08

放大倍率(Magnification)

定义

像高和物高的大小之比。

放大倍率的计算方法：

09

靶面大小(Max Image Circle)

定义

感光元器件对角线尺寸。

靶面大小示意图

传感器类型

对角线长度(mm)

传感器宽度(mm)

传感器高度(mm)

1/3″

6.000

4.800

3.600

1/2.5″

7.182

5.760

4.290

1/2″

8.000

6.400

4.800

1/1.8″

8.933

7.176

5.319

2/3″

11.000

8.800

6.600

1″

16.000

12.800

9.600

4/3″

22.500

18.800

13.500

全画幅-35mm

43.300

36.000

24.000

10

镜头接口(Mount)

C接口是工业镜头最为常用的一种接口，其法兰距(法兰面距离感光芯片的距离)为17.526mm，螺纹规格:直径1英寸，螺距1-32UNF；

CS接口是监控行业较为常用的一种接口，其法兰距(法兰面距离感光芯片的距离)为12.526mm，螺纹规格：直径1英寸，螺距1-32UNF；

从下图来直观地了解C接口与CS接口区别：

a. C接口的相机不能搭配CS接口的镜头使用，会导致图像不清晰；

b. CS接口的相机可以搭配C接口的镜头使用，但是要使用5mm转接圈才能正常聚焦；

F接口是一种卡口型接口,法兰距46.5mm，最早由Nikon为其35mm式相机而开发。目前较多的应用在大靶面相机和线扫描相机上，使用此接口,镜头可轻松安装和拆卸；

M接口是一种螺纹接口,通常用于替换较大靶面相机的F接口，由接口直径(42mm、58mm、72mm等)、螺距(0.75mm、1mm等)和法兰距定义,种类较多；

S接口是M接口的一种，规格：螺纹直径12mm，螺距0.5mm。

【东正光学工业镜头优势】

深圳市东正光学技术有限公司是一家主要针对机器视觉自动化领域、摄影、电影等行业定向的自主研发和生产的科技型企业，客户分布全球各地。

通过持续创新，东正光学的工业镜头(线扫描镜头、远心镜头、微距镜头等)已经使用在印刷检测、液晶屏检测、玻璃检测、太阳能检测、锂电池检测、电路板检测等诸多领域。

公司具有独立的光学设计事业部，我们的设计师大多是极具经验的；并且为诸如Facebook、Google、Apple等客户提供过优良的光学设计，有许多优秀的案例得到了客户的好评；公司设计部分一贯保持严谨认真的做事态度，认真对待每一个客户；争取最大限度提供客户满意的光学设计。