3D機器視覺相鏡頭相機介紹

相機的鏡頭類似于人眼的晶狀體。如果沒有晶狀體，人眼看不到任何物體；如果沒有鏡頭，相機無法輸出清晰

的。在機器視覺系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是將成像目標聚焦在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭對成像質量有著關鍵性

的作用，它對成像質量的幾個最主要指標都有影響，包括分辨率、對比度、景深及各種像素差異。

鏡頭種類繁多，一般情況下，機器視覺系統(tǒng)中的鏡頭可進行如下分類。

(1)根據(jù)有效像場的大小劃分

把攝影鏡頭安裝在一很大的伸縮暗箱前端，并在該暗箱后端安裝一塊很大的磨砂玻璃。當將鏡頭光圈開至最大，

并對準無限遠景物調焦時，在磨砂玻璃上呈現(xiàn)出的影像均位于一圓形面積內，而圓形外則漆黑，無影像。此有影

像的圓形面積稱為該鏡頭的最大像場。在這個最大像場范圍的中心部位，有一能使無限遠處的景物結成清晰影像

的區(qū)域，這個區(qū)域稱為清晰像場。照相機或攝影機的靶面一般都位于清晰像場之內，這一限定范圍稱為有效像

場。由于視覺系統(tǒng)中所用的相機的靶面尺寸有各種型號，所以在選擇鏡頭時一定要注意鏡頭的有效像場應該大于

或等于攝像機的靶面尺寸，否則成像的邊角部分會模糊甚至沒有影像。根據(jù)有效像場的大小，一般可分為如下表

所示

(2)根據(jù)焦距劃分

根據(jù)焦距能否調節(jié)，可分為定焦距鏡頭和變焦距鏡頭兩大類。依據(jù)焦距的長短，定焦距鏡頭又可分為魚眼鏡頭、

短焦鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭四大類。需要注意的是焦距的長短劃分并不是以焦距的絕對值為首要標準，而是

以像角的大小為主要區(qū)分依據(jù)，所以當靶面的大小不等時，其標準鏡頭的焦距大小也不同。變焦鏡頭上都有變焦

環(huán)，調節(jié)該環(huán)可以使鏡頭的焦距值在預定范圍內靈活改變。變焦距鏡頭最長焦距值和最短焦距值的比值稱為該鏡

頭的變焦倍率。變焦鏡頭又可分為手動變焦和電動變焦兩大類。

變焦鏡頭通過鏡頭鏡片之間的相互位移，使鏡頭的焦距可在一定范圍內連續(xù)變化，從而在無需更換鏡頭的條件

下，通過CCD相機既可以獲得成像目標的全景圖像，又可獲得局部細節(jié)的圖像。變焦鏡頭的變焦范圍一般有6倍、

8倍、10倍、12倍、16倍、20倍、50倍等。變焦鏡頭由于具有可連續(xù)改變焦距值的特點，在需要經(jīng)常改變攝影視

場的情況下非常方便使用，所以在攝影領域應用非常廣泛。但由于變焦距鏡頭的透鏡片數(shù)多、結構復雜，所以最

大相對孔徑不能做得太大，致使圖像亮度較低、圖像質量變差，同時在設計中也很難針對各種焦距、各種調焦距

離做像差校正，所以其成像質量無法和同檔次的定焦距鏡頭相比。

變焦鏡頭一般由幾片透鏡組成。兩個焦距分別為f1、f2且相距為d的透鏡組變焦鏡頭一般由焦距組、變倍組、補償

組、固定組等構成。其中焦距組的主要作用是通過小范圍內的軸向移動，實現(xiàn)鏡頭的焦距調整；變倍組主要通過

軸向移動，達到焦距連續(xù)可調的目的；當變倍組前后移動進行焦距調整時，鏡頭的成像面將隨之發(fā)生變化，補償

組可隨變倍組的移動而進行相應的移動，是成像面保持在圖像傳感器的光敏面上；固定組的主要作用是保持有一

定的裝座距離。

實際常用的鏡頭的焦距是從4mm到300mm的范圍內有很多的等級，如何選擇合適焦距的鏡頭是在機器視覺系統(tǒng)

設計時要考慮的一個主要問題。光學鏡頭的成像規(guī)律可以根據(jù)兩個基本成像公式——牛頓公式和高斯公式來推

導，對于機器視覺系統(tǒng)的常見設計模型，一般是根據(jù)成像的放大率和物距這兩個條件來選擇合適焦距的鏡頭，相

關計算公式如表所示。

(3)根據(jù)光圈類型劃分

鏡頭有手動光圈(Manual Iris)和自動光圈(Auto Iris)之分，配合相機使用，手動光圈鏡頭適合于亮度不變的應用場

合，自動光圈鏡頭因亮度變更時其光圈亦作自動調整，故適用亮度變化的場合。自動光圈鏡頭有兩類：一類是將

一個視頻信號及電源從相機輸送到透鏡來控制鏡頭上的光圈，稱為視頻輸入型；另一類則利用相機上的直流電壓

來直接控制光圈，稱為DC輸入型。自動光圈鏡頭上的ALC(自動鏡頭控制)調整用于設定測光系統(tǒng)，可以整個畫面

的平均亮度，也可根據(jù)畫面中最亮部分(峰值)來設定基準信號強度，供給自動光圈調整使用。一般而言，ALC已在

出廠時經(jīng)過設定，可不作調整，但是對于拍攝景物中包含有一個亮度極高的目標時，明亮目標物的影像可能會造

成“白電平削波”現(xiàn)象，而使得全部屏幕變成白色，此時可以調節(jié)ALC來變換畫面。

另外，自動光圈鏡頭裝有光圈環(huán)，轉動光圈環(huán)時，通過鏡頭的光通量會發(fā)生變化，光通量即光圈，一般用F表示，

F值越小，則光圈越小。

采用自動光圈鏡頭，對于下列應用情況是理想的選擇，在諸如太陽光直射等非常亮的情況下，用自動光圈鏡頭可

有較寬的動態(tài)范圍。要求在整個視野有良好的聚焦時，用自動光圈鏡頭有比固定光圈鏡頭更大的景深。要求在亮

光上因光信號導致的模糊最小時，應使用自動光圈鏡頭。

(4)根據(jù)鏡頭接口類型劃分

鏡頭和相機之間的接口有許多不同的類型，工業(yè)相機常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、萊卡

接口、M42接口、M50接口等。接口類型的不同和鏡頭性能及質量并無直接關系，只是接口方式的不同，一般也

可以找到各種常用接口之間的轉接口。

C接口和CS接口是工業(yè)相機最常見的國際標準接口，為1in-32UN英制螺紋連接口，C型接口和CS型接口的螺紋連

接是一樣的，區(qū)別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。所以CS型接口的相機可以和

C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用C口鏡頭時需要加一個5mm的接圈；C型接口的攝像機不能用CS口的鏡頭。

F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標準，所以又稱尼康口，也是工業(yè)相機中常用的類型，一般相機靶面大于1in時需用F

口的鏡頭。

V接口鏡頭是著名的專業(yè)鏡頭品牌施奈德鏡頭主要使用的標準，一般也用于相機靶面較大或特殊用途的鏡頭。

(5)特殊用途的鏡頭

①顯微鏡頭(Micro)　一般是指成像比例大于10:1的拍攝系統(tǒng)所用，但由于現(xiàn)在的相機的像元尺寸已經(jīng)做到3μm以

內，所以一般成像比例大于2:1時也會選用顯微鏡頭。

②微距鏡頭(Macro)　一般是指成像比例為2:1～1:4的范圍內的特殊設計的鏡頭。在對圖像質量要求不是很高的情

況下，一般可采用在鏡頭和相機之間加近攝接圈的方式或在鏡頭前加近拍鏡的方式達到放大成像的效果。

③遠心鏡頭(Telecentric)　主要是為糾正傳統(tǒng)鏡頭的視差而特殊設計的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內，使得到

的圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應用。

④紫外鏡頭(Ultraviolet)和紅外鏡頭(Infrared)　一般鏡頭是針對可見光范圍內的使用設計的，由于同一光學系統(tǒng)

對不同波長的光線折射率的不同，導致同一點發(fā)出的不同波長的光成像時不能會聚成一點，產(chǎn)生色差。常用鏡頭

的消色差設計也是針對可見光范圍的，紫外鏡頭和紅外鏡頭即是專門針對紫外線和紅外線進行設計的鏡頭。

(6)不同種類鏡頭的應用范圍不同。

① 手動、自動光圈鏡頭　手動光圈鏡頭是最簡單的鏡頭，適用于光照條件相對穩(wěn)定的條件下，手動光圈由數(shù)片金

屬薄片構成。光通量靠鏡頭外徑上的一個環(huán)調節(jié)。旋轉此圈可使光圈縮小或放大。在照明條件變化大的環(huán)境中或

不是用來監(jiān)視某個固定目標，應采用自動光圈鏡頭，比如在戶外或人工照明經(jīng)常開關的地方，自動光圈鏡頭的光

圈的動作由馬達驅動，馬達受控于攝像機的視頻信號。手動光圈鏡頭和自動光圈鏡頭又有定焦距(光圈)鏡頭自動光

圈鏡頭和電動變焦距鏡頭之分。

② 定焦距(光圈)鏡頭　一般與電子快門攝像機配套，適用于室內監(jiān)視某個固定目標的場所作用。定焦距鏡頭一般

又分為長焦距鏡頭、中焦距鏡頭和短焦距鏡頭。中焦距鏡頭是焦距與成像尺寸相近的鏡頭；焦距小于成像尺寸的

稱為短焦距鏡頭，短焦距鏡頭又稱廣角鏡頭，該鏡頭的焦距通常是28mm以下的鏡頭，短焦距鏡頭主要用于環(huán)境

照明條件差，監(jiān)視范圍要求寬的場合，焦距大于成像尺寸的稱為長焦距鏡頭，長焦距鏡頭又稱望遠鏡頭，這類鏡

頭的焦距一般在150mm以上，主要用于監(jiān)視較遠處的景物。

③ 手動光圈鏡頭　可與電子快門攝像機配套，在各種光線下均可使用。

④ 自動光圈鏡頭　可與任何CCD相機配套，在各種光線下均可使用，特別用于被監(jiān)視表面亮度變化大、范圍較大

的場所。為了避免引起光暈現(xiàn)象和燒壞靶面，一般都配自動光圈鏡頭。

⑤ 電動變焦距鏡頭　可與任何CCD相機配套，在各種光線下均可使用，變焦距鏡頭是通過遙控裝置來進行光對

焦，光圈開度，改變焦距大小。