机器视觉系统之镜头篇.ppt

—镜头篇镜头－影响图像质量的关键因素主要内容光学系统的基本概念及相关知识光学系统的基本概念光学系统的基本概念光学系统的基本概念光学系统的基本概念光学系统的基本概念光学系统的基本概念薄透镜成像原理物距L共轴光学系统共轴光学系统的光学特性物像关系和放大率公式物距：L=f(1+1/β)
像距：L’=f(1+β)
焦距：f=L/(1+1/β)
物高：y=y’/β=y’(L-f)/f
像高：y’=βy=y(L’-f)/f

镜头的基本参数及相关知识光学镜头的基本原理光学镜头的主要参数视野(Fieldofview)：或者叫视场角，图像采集设备所能够覆盖的范围，即和靶面上的图像所对应的物平面的尺寸；

工作距离（WorkingDistance）：一般指镜头前端到被测物体的距离，小于最小工作距离系统一般不能清晰成像；

景深（DepthOfField）以镜头最佳聚焦时的WD为中心，前后存在一个范围，在此范围内镜头都可以清晰成像。

光学镜头的主要参数光学镜头的主要参数光学镜头的主要参数大多数便宜的镜头分辨率在50lp/mm，相当于水平分辨率700个像素，用于对分辨率要求不高的视觉系统，和相当于VGA级以下分辨率的相机相配。

百万像素级以上的镜头，镜头分辨率可达100lp/mm及以上，和相当于水平分辨率达1280的相机相配。调制传递函数(MTF:ModulationTransfer Function)
实际的镜头分辨率比理想镜头的分辨率要低很多。因此通常用MTF来表征镜头的实际分辨率。MTF定义为一定空间频率时像面对比度与物面对比度之比，这里空间频率用单位mm内的线对数来表示。
对于同一镜头，不同空间频率处的MTF值是不同的，一般随着空间频率的增大，MTF越来越小，直至为零。MTF为零时的空间频率为镜头的截至频率，也用于表示镜头的实际分辨率调制传递函数光学镜头的主要参数影响分辨率的主要因素：
镜头结构、材质、加工精度等。
其它因素：
镜头光圈越大，分辨率越高；
光波长度，波长越短分辨率越高；
同档次的固定焦距镜头比变焦镜头分辨率高；
短焦镜头一般边缘分辨率比中心低，长焦镜头一般中心比边缘分辨率低。影响镜头景深的因素镜头的焦距与视场角被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。
畸变像差只影响成像的几何形状，而不影响成像的清晰度。 畸变定义为实际像高y‘与理想像高yo之差y’-yo‘，而在实际应用中经常将其与理想像高yo‘之比的百分数来表示畸变，称为相对畸变,即
镜头的畸变镜头的分类定焦距镜头按等效焦距分为：
鱼眼镜头：6-16mm
超广角镜头：17-21mm
广角镜头：24-35mm
标准镜头：45-75mm
长焦镜头：150-300mm
超长焦镜头：300mm以上

等效焦距：实际焦距×43mm/镜头成像圆的直径 微距镜头（MacroIens）
按德国的工业标准，成像比例大于1:1的称为微距摄影范畴。这里我们所说的比率指像的大小与实物之间的比例关系，也就是镜头的放大率。35mm标准镜头最大拍摄比率为1:10。事实上放大率在1:1~1:4左右的都属微距镜头，而放大率达到10:1~200:1则属显微镜头。使用专门的微距镜头，价格较高但成像质量可以得到保证；
带微距档的变焦镜头；
使用接圈，通过增加镜筒的长度来改变像距达到放大的目的，根据凸透镜成像原理，当像距增加到二倍焦距处，影像与实物等大。由于接圈使用时放在镜头后面，一是不够灵活，二是影响通光量。 显微镜头
体视显微镜
生物显微镜
金相显微镜视差： 对于同样的物体，当靠近眼睛时，会比远离眼睛时显得大一点。这个现象也同样出现在传统的光学系统中，即镜头的放大倍数是随着物距变化而变化的。
远心镜头则纠正了传统镜头的误差，它可以在一定距离内，使所成的像的尺寸不会因为距离的变化而改变。
远心镜头远心镜头远心镜头远心镜头镜头的接口类型如何选择镜头 镜头的基本光学性能由焦距、相对孔径（光圈系数）和视场角（视野）这三个参数表征。因此，在选择镜头时，首先需要确定这三个参数，最主要是确定焦距，然后再考虑分辨率、景深、畸变、接口等其他因素。选择镜头的基本步骤可以参考以下几条：
根据目标尺寸和测量精度，可以确定传感器尺寸和像素尺寸、放大倍率等；
根据系统整体尺寸和工作距离，结合放大倍率，可以大概估算出镜头的焦距。焦距、传感器尺寸确定以后，视场角也可以确定下来；
根据现场的照明条件确定光圈大小和工作波长；
最后考虑镜头畸变、景深、接口等其他要求。
选型示例：
被测物体100×100mm，精度要求0.1mm，相机距被测物体在200～400mm之间，要求选择合适的相机和镜头。分析如下：
被测物体是100x100mm的方形物体，而相机靶面通常为4：3的矩形，因此，为了将