Ｖ０１．２２ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．，２Ｏｌ１ 第２２卷第６期 ２Ｏ¨年１２月 ｊ（ ｏＵＲＮＡＩ Ｆ兰翌 篓７：Ｅ： Ｒ；Ｓ ＩＴ—Ｙ— —Ｏ Ｆ ＝Ｔ Ｅ—；Ｃ一 ＨＮＯＬＯＧＹ“ ｚ ＧＹ 文章编－Ｎ：１６７１－－６９０６（２０１１）。６一。。１８一。４ 要了键扮 ：术～ 图 机器视觉系统中镜头的选择 介 视 词号 村 ｐ 张五一，张继超，候远韶，杨 扬 Ｈ Ｐ （中原工学院，郑州４５０。０７） 叭 一 ， 剌 文 蝻Ｉ暮 Ａ 。。１：１。．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１——６９。６－２。１１・。６・。。４ １ 镜头的主要参数及成像质量评定 一中，研究共轴球面理想光学系狁削脱 眷篓攀 ～～ 囤２镜头参数 第６期 张五一等：机器视觉系统中镜头的选择 １．１ 焦 距 来自无限远的平行光线，经过镜头的折射，在镜头 的主轴上聚成一个清晰的点，这个点就是焦点，如图１ 中的点Ｆ和Ｆ ．由镜头中心到焦点的距离，称作焦距． 相机的焦距一般印刻在镜筒的外圆周上，单位为ｍｍ． 焦距跟成像大小有着直接的关系，其关系式如下： ｈ 一一＿厂 ｔａｎｗ （１） 式中：ｈ 为像高；ｌ厂 为焦距；Ｗ为半视场角；负号表示所 成的像是倒立的． １．２ 相对孔径与光圈数Ｆ 相机镜头是由多个一定直径的透镜组成，其中一 般还设置一个直径可变的金属光孔，用以限制进入镜 头的光束的大小，这个光孔通常称为“孔径光阑”．孔径 光阑对它前方（物方）的光学元件所成的像，称为“入射 光瞳”，如图３所示． ！二． ＼＼， 入射光瞳 图３相对孑Ｌ径示意图 相对孔径是指相机镜头的入射光瞳直径Ｄ与焦 距厂 的比值，即Ｄ／ｆ ．相对孔径的倒数称作光圈数。 用Ｆ表示，一般标在镜头外径上，如１：１．８或ｆ／１．８． 相对孑Ｌ径跟像面照度有着很大的关系，其关系式如下： Ｅ 一Ｅ０ＣＯＳ ａ （２） 兀也 Ｄ ０ … Ｅ。一 研 ３） 其中ＥＪ表示光轴ｉ处的像面照度； 为ｉ处与光轴的 夹角；Ｅ。为像面中心照度；ｒ为镜头的透光率；卢为镜 头的成像倍率．通过式（２）、式（３）可知，整个像面照度 分布不均匀，由中心向边缘逐渐减弱，增加相对孔径有 助于提高像面照度． １－３视角 视角简单说来就是镜头能看多宽，常用２Ｗ表示， 它与焦距的关系如式（１）所示．在图１中，镜头的孔径 光阑完全对称，且镜头位于同一介质中，此时物方视角 和像方视角相等，所以在使用中所说的视角，也就不再 区分物方视角和像方视角．为了方便使用，经常把１３５ 相机视场角和焦距的关系用图的形式表示出来 ］，以 便查询． １．４ 工作距离 顾名思义，工作距离就是被摄物体到镜头的距离， 也称作物距，用ｚ表示．一般来说镜头可以看到无穷远 处，所以不存在最大的工作距离．但是镜头却存在最小 的工作距离，如果镜头在最小工作距离之内工作，将得 不到清晰的图像．在镜头上有一个可以调节工作距离 的调节圈（一般比较大），上面清晰地标出了镜头的工 作距离． １．５ 视 野 视野就是镜头能看到的范围，也就是镜头正常工 作时能够覆盖的最大工作空问，用２ ｈ表示．视野与工 作距离的关系如下式所示： ｈ—ｌｔａｎＷ （４） １．６ 景 深 景深是摄影界比较流行的一个专业术语，指调焦 平面前后能够生成清晰图像的距离，简单说来说就是 镜头能够看清楚的“厚度”．计算公式如下： ｆ△一△１＋Ａ２ Ｉｊ １ 一７ ＦＺ （５） ｃ△２一 式中：△ 为前景深；△ 为后景深；Ｆ为光圈数；Ｚ 为弥 ， 散斑直径，目前常用Ｚ 一ｆ 近似计算弥散斑直径 的大小． １．７镜头成像质量的评价 镜头成像的好坏经常用像差来描述．像差就是实 际成像与理想成像之间的差异．在设计镜头时，需要一 些近似计算；并且在镜头生产时，由于加工精度的关 系，像差的产生在所难免．目前常用的像差有７种，分 别为球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和倍率色 差．像差对成像的影响是比较严重的 ］． ２ 机器视觉系统中镜头的分类 镜头的结构复杂多样，分类的方法也很多．下面介 绍几种常见的分类方法． ２．１按照焦距分类 在使用中依据焦距是否能够调节，镜头分为定焦 镜头和变焦镜头２类．变焦镜头又可以分为手动变焦 中原工学院学报 ２０１１年第２２卷 镜头和电动变焦镜头２类．按照焦距长短分，镜头大致 可以分为短焦距镜头、中焦距镜头和长焦距镜头．它们 的焦距范围的划定随着画幅尺寸不同而不同，对于 １３５相机镜头，其焦距通常为＿ｓ］： 短焦距镜头，焦距为７．５～２８ ｍｍ； 中焦距镜头，焦距为３５～８５ ｍｍ； 长焦距镜头，焦距为１３５～３００ ｍｍ； 超长焦距镜头，焦距为４００～１ ２００ ｍｍ． 此在工作距离确定时，畸变的大小与ｔａｎ。Ｗ成正比． （６）倍率色差与孔径无关，只跟视场的一次方成 正比． 正确选择镜头并不是一件容易的事情，有很多的 因素要考虑．下边就结合笔者的经验阐述在实际应用 中镜头的选择．比如要对帘子布进行拍照，布幅宽 １．５ ｉｎ，即视场最小为１．５ ｍ．选用的是ＣＣＤ线阵相 机，感光元件的尺寸为４ｏ．９６ ｍｍ×１０ ｆｆｍ，工作距离 ２．２按照有效像场分类 在最大像场范围的中心部位，有一能使无限远处 的景物结成清晰影像的区域，这个区域称为清晰像场． 相机的靶面一般位于清晰像场之内，这一限定范围称 为有效像场．根据有效像场，镜头可以分为： ｌ３５型相机镜头，有效像场尺寸２４ ｍｍ×３６ ｍｍ； １２７型相机镜头，有效像场尺寸４０ ｍｍ×４０ ｍｍ； １２０型相机镜头，有效像场尺寸８Ｏ ｍｍ×６０ ｍｍ； 大型相机镜头，有效像场尺寸２４０ ｍｍ×１８０ ｍｍ． ２．３按照镜头接口类型分类 相机跟镜头之间的接口有许多不同的类型，工业 相机常用的有ｃ／Ｙ接口（Ｍｉｎｏｌｔａ ＡＦ）、ＥＦ 接口（Ｃａｎｏｎ）、Ｆ接口（Ｎｉｋｏｎ）、ＯＭ接口（Ｏｌｙｍｐｕｓ）、 ＳＡ接口（Ｓｉｇｍａ）等 ．接口类型并不影响镜头的性能 和质量，只是生产商的制造方式和使用的传输协议不 同，一般可以找到各种常用接口之间的转接口． 以上是常见的几种分类方式．除此之外，镜头还 可以根据相对孔径、视场角等分类，在此就不一一列 出了． ３ 镜头的选择 上面介绍了相机的参数和像差，下边就简单地总 结一下参数和像差之间的相互联系． （１）球差的大小与被摄物体位置和光圈有关，当被 摄物体位置确定后，光圈缩小１倍，球差就缩小１倍． （２）彗差的大小与光圈有关，光圈缩小，可以减小 彗差对成像的影响． （３）像散的大小跟孔径无关，与视场的二次方成正 比．由式（４）可知，当工作距离确定时，像散的大小与 ｔａｎ。Ｗ成正比，所以应该选择较小的视场，或者选择较 小的视角． （４）场曲和像散一样与孔径无关，与视场的二次方 成正比，所以在减小像散的同时，已经遏制了场曲． （５）畸变与孔径无关，与视场的三次方成正比，因 最大为２ ｍ．帘子布的运行速度为５０ ｍ／ｍｉｎ，相机的 曝光时间比较短，因此要求像面照度比较大． 为了减小像差，应该尽量选择小的光圈和小的视 场，但是由于布幅的限制，视场最小为２ｈ一１．５ Ｉｎ．由 式（２）可知，像面边缘的照度为 一Ｅ ＣＯＳ Ｗ，即 Ｆ 一ＣＯＳ Ｗ．当ｗ一３０。时，１２Ｆ￣３０一ＣＯＳ ３０—０．５６２ ５，边 Ｌ ０ Ｌ，０ 缘照度只有中心的一半多；当 一４０。时， 一 ｉ ＿１ １ ０．３４４ ３，边缘照度只有中心的÷多．由此可见，视场角 ０ 的增大对像面边缘照度的影响还是很大的，因此在选 择视场角的时候应该２ｗ＜８０。．由式（３）可知，要想增 加像面照度，应该选择相对孔径较大（即光圈数较小， 光圈较大）的镜头，但是在光圈增大的同时，球差和彗 差也增大了．所以，光圈要根据实际情况进行选择． 在实际选择镜头时，可以按照图４进行近似计算． 物 ２ ＣＣＤ２＾ 一 图４相机镜头焦距远取衙图 由图４可知，了ｈ一 ｈ—ｔａｎＶＶ－，其中物高２ｈ一 １．５ ｒｎ固定不变，ＣＣＤ线阵相机的感光元件尺寸不 变，也就是２ｈ ≈４０．９６ ｍｒｎ不变．现在要做的工作主 要是确定工作距离和焦距．由像面照度关系可知，如 果选择２ｗ一６０。，可计算出工作距离ｌ 一 一１．２９９ ｍ＜２ ｍ，符合工作距离的要求；焦距 厂 一 一 蔫一３５．４７３４ ｍｍ，可以选择３５ ｍｍ 第６期 张五一等：机器视觉系统中镜头的选择 ・ ２１ ・ 的镜头．如果按照极限工作距离ｚ一２ ｍ计算，视角 ２Ｗ一２ａｒｃｔａｎ ｏ对成像的影响、景深对成像的影响等．笔者实际拍摄的 对象是帘子布，属于平面拍摄，因此对景深的要求不是 很高；如果对景深有较高要求，可以根据式（５）和相关 一４１。，这也是视角的极限值，则 ２Ｗ￣４１ ；ｆ； 一 一一簪一 一５一 ４ ｍｌｎ，这也 资料来确定景深大小，在此就不详细介绍了．是焦距的极限值，则．厂 ≤５Ｏ ｍｍ．根据以上计算结果， 选择了２种镜头：一种是３５ ｍｍ定焦，Ｆ值为ｌ：１．２， ４ 结 语 镜头的好坏关系到机器视觉系统中图像采集是否 理想．镜头选择要考虑的因素比较多．只有综合考虑各 个参数相互之间的联系及对成像的影响，选择出理想 接口为Ｆ接口的镜头；另一种是５０ ｍｍ定焦，Ｆ值为 １：１．２，接口为Ｆ接口的镜头．这两种镜头在实际应 用中均符合要求，特别是经过图像矫正后 ，图片的 质量又提高了很多，为后面的图像处理作好了铺垫． 在选择镜头的时候还有其他因素要考虑，如光源 的镜头，才能使拍出的图像有满意的效果． 参考文献： 李树杰．中国机器视觉的发展趋势［Ｊ］．赤峰学院学报，２０１０，２６（１）：１６１ １６２． 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ｐｒｏｖｅｓ ｉｔ ｉＳ ｕｓｅｆｕ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｅｎｓ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ；ｃｈｏｉｃｅ