光學(xué)鏡頭基礎(chǔ)知識(shí)

光學(xué)鏡頭是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中必不可少的部件,直接影響成像質(zhì)量的優(yōu)劣，影響算法的實(shí)現(xiàn)和效果。另外爭(zhēng)取選擇合適的鏡頭，降低機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)成本，才是產(chǎn)業(yè)興旺發(fā)達(dá)的唯一出路。光學(xué)鏡頭規(guī)格繁多，有時(shí)不免頭暈。光學(xué)鏡頭從焦距上可分為短焦鏡頭、中焦鏡頭，長(zhǎng)焦鏡頭；從視場(chǎng)大小分有廣角、標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)攝鏡頭；結(jié)構(gòu)上分有固定光圈定焦鏡頭，手動(dòng)光圈定焦鏡頭，自動(dòng)光圈定焦鏡頭，手動(dòng)變焦鏡頭、自動(dòng)變焦鏡頭，自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦鏡頭，電動(dòng)三可變（光圈、焦距、聚焦均可變）鏡頭等。根據(jù)我們使用的經(jīng)驗(yàn)，俄羅斯的光學(xué)鏡頭很便宜。

結(jié)構(gòu)上分：

1、固定光圈定焦鏡頭

簡(jiǎn)單。鏡頭只有一個(gè)可以手動(dòng)調(diào)整的對(duì)焦調(diào)整環(huán)，左右旋轉(zhuǎn)該環(huán)可使成像在CCD靶面上的圖像最清晰。沒(méi)有光圈調(diào)整環(huán)，光圈不能調(diào)整，進(jìn)入鏡頭的光通量不能通過(guò)改變鏡頭因素而改變，只能通過(guò)改變視場(chǎng)的光照度來(lái)調(diào)整。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。

2、手動(dòng)光圈定焦鏡頭

手動(dòng)光圈定焦鏡頭比固定光圈定焦鏡頭增加了光圈調(diào)整環(huán)，光圈范圍一般從F1.2或F1.4到全關(guān)閉，能方便地適應(yīng)被拍攝現(xiàn)場(chǎng)地的光照度，光圈調(diào)整是通過(guò)手動(dòng)人為進(jìn)行的。光照度比較均勻，價(jià)格較便宜。

3、自動(dòng)光圈定焦鏡頭

在手動(dòng)光圈定焦鏡頭的光圈調(diào)整環(huán)上增加一個(gè)齒輪合傳動(dòng)的微型電機(jī)，并從驅(qū)動(dòng)電路引出3或4芯屏蔽線，接到攝像機(jī)自動(dòng)光圈接口座上。當(dāng)進(jìn)入鏡頭的光通量變化時(shí)，攝像機(jī)CCD靶面產(chǎn)生的電荷發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使視頻信號(hào)電平發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，傳給自動(dòng)光圈鏡頭，從而使鏡頭內(nèi)的電機(jī)做相應(yīng)的正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，完成調(diào)整大小的任務(wù)。

4、手動(dòng)光圈變焦鏡頭

焦距可變的，有一個(gè)焦距調(diào)整環(huán)，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整鏡頭的焦距，其可變比一般為2～3倍，焦距一般為3.6~8mm。實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡頭的變焦環(huán)，可以方便地選擇被監(jiān)視地市場(chǎng)的市場(chǎng)角。但是當(dāng)攝像機(jī)安裝位置固定下以后，在頻繁地手動(dòng)調(diào)整變焦是很不方便的。因此，工程完工后，手動(dòng)變焦鏡頭的焦距一般很少調(diào)整。僅起定焦鏡頭的作用。

5、自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦鏡頭

與自動(dòng)光圈定焦鏡頭相比增加了兩個(gè)微型電機(jī)，其中一個(gè)電機(jī)與鏡頭的變焦環(huán)合，當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以控制鏡頭的焦距；另一電機(jī)與鏡頭的對(duì)焦環(huán)合，當(dāng)其受控轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可完成鏡頭的對(duì)焦。但是，由于增加了兩個(gè)電機(jī)且鏡片組數(shù)增多，鏡頭的體積也相應(yīng)增大。

6、電動(dòng)三可變鏡頭

與自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦鏡頭相比，只是將對(duì)光圈調(diào)整電機(jī)的控制由自動(dòng)控制改為由控制器來(lái)手動(dòng)控制。

場(chǎng)合上分：

按視場(chǎng)大小分為：小視場(chǎng)鏡頭，普通鏡頭（約50度左右），廣角鏡頭和特廣角鏡頭（100－120度）

1、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭：視角約50度，也是人單眼在頭和眼不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下所能看到的視角，所以又稱為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。5mm相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距多為40mm，50mm或55mm。120相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距多為80mm或75mm。CCD芯片越大則標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距越長(zhǎng)。

２、廣角鏡頭：視角90度以上，適用于拍攝距離近且范圍大的景物，又能刻意夸大前景表現(xiàn)強(qiáng)烈遠(yuǎn)近感即透視。35mm相機(jī)的典型廣角鏡頭是焦距28mm，視角為72度。120相機(jī)的50，40mm的鏡頭便相當(dāng)于35mm相機(jī)的35，28mm的鏡頭。

３、長(zhǎng)焦距鏡頭：適于拍攝距離遠(yuǎn)的景物，景深小容易使背景模糊主體突出，但體積笨重且對(duì)動(dòng)態(tài)主體對(duì)焦不易。35mm相機(jī)長(zhǎng)焦距鏡頭通常分為三級(jí)，135mm以下稱中焦距，135－500mm稱長(zhǎng)焦距，500mm120相機(jī)的150mm的鏡頭相當(dāng)于35mm相機(jī)的105mm鏡頭。由于長(zhǎng)焦距的鏡頭過(guò)于笨重，所以遠(yuǎn)鏡頭的設(shè)計(jì)，即在鏡頭后面加一負(fù)透鏡，把鏡頭的主平面前移，便可用較短的鏡體獲得鏡體長(zhǎng)焦距的效果。

４、反射式望遠(yuǎn)鏡頭：是另一種超望遠(yuǎn)鏡頭的設(shè)計(jì)，利用反射鏡面來(lái)構(gòu)成影像，但因設(shè)計(jì)的關(guān)系無(wú)法裝設(shè)光圈，僅能以快門(mén)來(lái)調(diào)整曝光。

５、微距鏡頭（marcolens）：除作極近距離的微距攝影外，也可遠(yuǎn)攝。

接口類(lèi)型來(lái)分：

1、C型鏡頭

法蘭焦距是安裝法蘭到入射鏡頭的平行光的匯聚點(diǎn)之間的距離。法蘭焦距為17.526mm或0.690in。鏡頭可以用在長(zhǎng)度為0.512in(13mm)以內(nèi)的線陣傳感器。但是，由于幾何變形和市場(chǎng)角特性，必須鑒別短焦鏡頭是否合用。如焦距為12.6mm的鏡頭不應(yīng)該用長(zhǎng)度大于6.5mm的線陣。如果利用法蘭焦距尺寸確定了鏡頭到列陣的距離，則對(duì)于物方放大倍數(shù)小于20倍時(shí)需增加鏡頭接圈。接圈加在鏡頭后面，以增加鏡頭到像的距離，以為多數(shù)鏡頭的聚焦范圍位5－10％。鏡頭接長(zhǎng)距離為焦距/物放大倍數(shù)。

2、CS型鏡頭

3、U型鏡頭

一種可變焦距的鏡頭，其法蘭焦距為47.526mm或1.7913in，安裝羅紋為M42×1。主要設(shè)計(jì)作35mm照片應(yīng)用（如國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口的各種135相機(jī)鏡頭），可用于任何長(zhǎng)度小于1.25in(38.1mm)的列陣。建議不要用短焦距鏡頭。442mm鏡頭、3L型鏡頭

固定焦距寬視場(chǎng)鏡頭，最初設(shè)計(jì)作照相放大作用（如國(guó)產(chǎn)各種放大機(jī)鏡頭），且在2.25in(63.5mm)視場(chǎng)內(nèi)具有良好的特性。法蘭焦距是具體鏡頭的函數(shù)。安裝螺紋為M39×1?？捎糜陂L(zhǎng)度為1.25in(35.1)以內(nèi)的列陣，且不受限制。

4、特殊鏡頭

如顯微放大系統(tǒng)。要特別注意CS和C的差別，不同類(lèi)型的camera和不同類(lèi)型的Len連接時(shí)，要定制轉(zhuǎn)接環(huán)。光學(xué)鏡頭的主要參數(shù)和評(píng)價(jià)主要參數(shù)有焦距，視場(chǎng)，物距，光圈，快門(mén)等。

對(duì)于鏡頭最完善的評(píng)價(jià)莫過(guò)于MTF（ModulationTransferFunction）。但是由于像差（標(biāo)定的原因），鏡頭的每個(gè)范圍都有一個(gè)MTF值。這些范圍指的是：

1）近軸部分

2）離軸部分

3）當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)存在不對(duì)稱畸變時(shí)，上述兩部分在不同方向上的子部分。每個(gè)部分對(duì)于不同的輻射能量波長(zhǎng)范圍，都有各自相應(yīng)的MTF值。MTF是評(píng)價(jià)成像系統(tǒng)的最常用、最優(yōu)的指標(biāo)，也是指導(dǎo)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)集成的最優(yōu)指標(biāo)。

光圈常識(shí)

照相機(jī)的鏡頭有一個(gè)控制透光量的裝置，就叫光圈。光圈開(kāi)的大，透光量便大；開(kāi)的小，透光量便小，但只靠光圈還不能完全描述作用于軟片上的光線強(qiáng)度，鏡頭與軟片間的距離也有關(guān)系，也就是和鏡頭的焦距有關(guān)系，焦距小光圈離軟片較近，光線的作用便較強(qiáng)。

光圈的功能

1、控制光量的透入：光線透過(guò)鏡頭射到軟片的強(qiáng)度是和光圈系數(shù)平方成反比，也就是相鄰兩級(jí)的光圈作用于軟片上的光線強(qiáng)度有兩倍的關(guān)系。

2、調(diào)節(jié)景深：所謂的景深，就是鏡頭對(duì)焦處前后所能成像清晰的范圍，它鏡頭焦距，光圈，及被攝景物主體的距離有關(guān)。鏡頭焦距越短，光圈越小，被攝物的距離，景深越大清晰的范圍越大；反之亦然，所以就光圈來(lái)講，小光圈景深大，清晰細(xì)密的表出遠(yuǎn)近的明銳感；大光圈景深小，則可使主體突出，表現(xiàn)主體以外前后主題的模糊感，值得一提的是，若要前后景物都清晰，應(yīng)使用小光圈，但以小到能涵蓋希望的景深即可，不必過(guò)小，過(guò)小便會(huì)受到繞射的影響，反而降低其解像力。

快門(mén)常識(shí)

相機(jī)的快門(mén)是控制曝光時(shí)間長(zhǎng)短的機(jī)關(guān)，快門(mén)經(jīng)常處于關(guān)閉狀態(tài)，已防裝在相機(jī)內(nèi)的底片露光，攝影時(shí)將它一開(kāi)一閉，讓透過(guò)鏡頭的影像光線作用于軟片上。早期的座架式相機(jī)沒(méi)有快門(mén)裝置。僅備一鏡頭蓋套在鏡頭上，取景對(duì)焦時(shí)取下鏡頭蓋，套上鏡頭蓋再裝感光片，攝影時(shí)將鏡頭蓋掀開(kāi)一剎那時(shí)間遂即蓋上?，F(xiàn)在快門(mén)已進(jìn)步到由機(jī)械或電子操縱開(kāi)啟時(shí)間。快門(mén)的功能分述如下：

１、開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制透入光量的多少，假若被攝體的明度和鏡頭的光圈不變，快門(mén)開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)，作用于軟片的光量多，快門(mén)開(kāi)啟時(shí)間短，作用于軟片的光量少?？扉T(mén)開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短叫做快門(mén)速度（Shutterspeed)。為便于調(diào)整曝光，鏡頭快門(mén)相機(jī)的鏡頭上裝有快門(mén)速度調(diào)整環(huán)，焦面快門(mén)相機(jī)（較普遍）的機(jī)身上裝有快門(mén)速度調(diào)整環(huán)。在快門(mén)速度調(diào)整環(huán)上，將快門(mén)速度分為若干級(jí)。

２、配合光圈曝光：攝影曝光正確，才能產(chǎn)生層次豐富細(xì)節(jié)清晰的照片。曝光要正確，必須按照軟片速度與光圈強(qiáng)弱，將快門(mén)速度和光圈適當(dāng)配合?？刂歧R頭進(jìn)光量，需要由鏡頭的所謂"孔徑光闌"來(lái)控制?？讖焦怅@都是位于鏡頭內(nèi)部，通常由多片可活動(dòng)的金屬葉片(稱為光闌葉片)組成，可以使中間形成的(近似)圓孔變大或者縮小，以達(dá)到控制通過(guò)光量大小的目的。

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