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一、工業鏡頭介紹

鏡頭的主要作用是

將目標成像在圖像傳感器的光敏面上。

下圖左一的型號為 焦距 50mm? 最大光圈為F1.6 鏡頭的像面尺寸為2/3英寸（最大能夠兼容CCD芯片尺寸）

二、工業鏡頭的分類

鏡頭的主要分類是

按功能分類：定焦鏡頭、變焦鏡頭

按視角分類：標準鏡頭、廣角鏡頭、遠攝鏡頭

按焦距分類：短焦距鏡頭、中焦距鏡頭、長焦距鏡頭

按用途分類：普通鏡頭、微距鏡頭、遠心鏡頭

三、關鍵參數講解

鏡頭工作距離（WD）

????? 一般是指? 鏡頭物方端面 到 被拍攝物體表面 的物理距離。

光源工作距離（LWD）

????? 一般是指? 光源物方端面 到 被照射物體表面 的物理距離。

視場（FOV）

也稱視野,是指能被視覺系統觀察到的物方可視范圍大小

對于鏡頭而言，可觀察到的視場跟鏡頭放大倍率及相機芯片選擇有關。因此通常建議根據被觀察物體的尺寸，先確定所需的視場，再確定相機芯片尺寸及鏡頭放大倍率。在實際工程項目中，考慮到機械誤差等問題，視場通常要大于待觀測物體的實際尺寸，以確保在機械誤差的范圍內，物體始終位于視覺系統的可視范圍內。

光學放大倍率

機器視覺行業里提到的鏡頭光學放大倍率通常是指垂軸放大倍率，即像和物的大小之比，計算方法如下：

光學放大倍率=感光芯片長邊/視野長邊

可見，光學放大倍率和所選相機芯片及所需視場相關。

如：已知相機芯片為2/3英寸（8.8mm*6.6mm),

視場長寬為：10mm* 8mm。

如用長邊計算，放大倍率=8.8mm/10mm=0.88x；

如用短邊計算，放大倍率=6.6mm/8mm=0.825x；

此時應取小的倍率0.825x 作為待選鏡頭的光學放大倍率。否則，短邊視場將不能滿足要求。（若取0.88倍，則短邊視場=6.6mm/0.88x=7.5mm<8mm）

四、關鍵參數講解

相機芯片尺寸

在前面描述放大倍率和鏡頭像面尺寸時都涉及到相機芯片尺寸。通常相機廠商是以英寸的形式表示的，但在實際計算時，需要換算成各邊以毫米為單位的計量方式。

工業鏡頭的焦距(f mm)可以根據FOV(視場), WD(工作距離) 和CCD芯片尺寸計算出來:

焦距計算公式

焦距f ＝ WD × CCD芯片尺寸( h or v) / FOV( H or V)

下面是常見的CCD芯片

1.1英寸——靶面尺寸為寬12mm*高12mm，對角線17mm

1英寸 ——靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm，對角線16mm

2/3英寸——靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對角線11mm

1/1.8英寸——靶面尺寸為寬7.2mm*高5.4mm，對角線9mm

1/2英寸——靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對角線8mm

1/3英寸——靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對角線6mm

1/4英寸——靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對角線4m

f：鏡頭焦距?? H: FOV高度尺寸? V: FOV寬度尺寸?? WD：鏡頭至景物距離? v:?? CCD芯片寬度尺寸?? h： CCD芯片高度尺寸

五、關鍵參數講解

畸變

鏡頭在成像時，特別是用短焦距鏡頭拍攝大視場，圖像會產生形變，這種情況叫做鏡頭的畸變，這是由于鏡頭的光學結構和成像特性導致的，原因是由于視野中局部放大倍數不一致造成的圖像扭曲。拍攝的視場越大，所用的鏡頭的焦距越短，畸變的程度就越明顯，一般有桶型畸變和枕型畸變兩種，可以通過圖像標定減弱這種平面畸變的影響。

景深

景深則是鏡頭另一個重要的外部參數。它表示滿足圖像清晰度要求的最遠位置與最近位置的差值，景深的計算可能會相對麻煩一些。它與鏡頭焦距、光圈值、工作距離和允許彌散斑的最大直徑有關。由于允許彌散斑的最大直徑是個相對量，它的可接受直徑很大程度上取決于應用，因此在實際視覺應用中以實驗和參考鏡頭給出的參考值為主。

簡單的說：光圈越小，景深越深；焦距越短，景深越深；對焦距離（工作距離）越遠，景深越深；

視場角

以鏡頭為頂點，被測目標物像可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構成的夾角，稱為視場角。它決定了光學儀器（如相機、顯微鏡等）的視野范圍。

六、鏡頭的詳細硬件參數

七、鏡頭的接口

按接口的不同，鏡頭可分為 C - MOUNT 和 CS - MOUNT 。

( 1) C - MOUNT

?????? C - MOUNT 即 C 接口鏡頭，是目前機器視覺系統中使用最廣泛的鏡頭、具有重量輕、體積小、價廉、品種多等優點，它的接口螺紋參數為：公稱直徑＝1英寸，爆距＝32牙（1-32UN)。

(2) CS - MOUNT

?????? CS - MOUNT 即 CS 接口，是為新的 CCD 相機而設計的。隨著 CCD 集成度越來越高，相同分辨率的光敏陣列越來越小，設計的 CS - MOUNT 更適用于有效光敏傳感器尺寸更小的相機。

????? 除了普遍的 C 接口和 CS 接口外，還有用于大分辨率面陣相機及線陣相機的 F 接M2接口，M72接口及用于靶面較大或特殊鏡頭的 V 接口。 F 接口是尼康鏡頭的接口標準，又稱尼康口，一般靶面尺寸大約為1英寸的工業相機需要用 F 接口的鏡頭。

????? C 接口和 CS 接口的區別僅僅在于鏡頭的安裝基準面到焦點的距離不同。 C 接口的距離是17.526 mm ，而 CS 接口是12.5mm。它們之間相差約5mm。因此，具有 CS 接口的相機，可以與 C 接口或 CS 接口的鏡頭連接，但使用 C 接口鏡頭時需加裝一個接圈；具有 C 接口的相機只能與 C 接口的鏡頭連接，而不能與 CS 接口的鏡頭連接，否則不但不能獲得良好的聚焦，還有可能損壞 CCD 靶面（部分 C 接口相機可以擰掉接圈轉換成 CS 接口）。但有一個例外，即 C 接口的3CCD相機不能和 C 接口的鏡頭協同工作。

八、遠心鏡頭

遠心鏡頭（ Telecentric ）主要是為糾正傳統工業鏡頭視差而設計的，它可以在一定的物距范圍內，使得到的圖像放大倍數不會變化，這對被測物體不在同一物面上的情況是非常重要的。遠心鏡頭由于其特有的平行光路設計，一直被對鏡頭畸變要求很高的機器視覺應用場合所青睞。設計遠心鏡頭的目的是消除由于被測物體（或 CCD 芯片）與鏡頭距離不一致，造成放大倍率不同的影響。

遠心鏡頭的選擇

??????? 遠心鏡頭和相機的匹配選擇原則和普通工業鏡頭相同，只要其鏡頭的規格大于或等于相機的靶面即可。使用過程中需注意，在遠心鏡頭的物鏡垂直下方區域內的像都是遠心成像，而超出此區域的像就不是嚴格意義上的遠心成像了，這點在實際的使用中一定要注意，否則會產生不必要的偏差。基于遠心鏡頭的原理特征及獨特優勢，在以下六種情況下，最好選用遠心鏡頭：

(1）需要檢測有厚度的物體（厚度＞FOV直徑/10）

(2）需要檢測不在同一平面的物體。

(3）物體到鏡頭的距離未知。

(4）需要檢測帶孔徑的三維物體。

(5）需要低畸變率且圖像的亮度完全一致。

(6）缺陷只在同一方向平行照明下才能檢測到。

?????? 根據使用情況（物體尺寸和需要的分辨率）選擇物方尺寸（拍攝范圍）合適的物方鏡頭和 CCD 或 CMOS 相機，同時結合像方尺寸（使用 CCD 的靶面大小）即可計算出放大倍數，然后選擇合適的像方鏡頭。在選擇過程中，還應注意景深指標的影響，因為像／物倍數越大，景深越小。為了得到合適的景深，可能還需要重新選擇鏡頭。

九、選型案例

案例分析:

已知條件:工業相機型號已經選擇好,具體參數:工業相機芯片尺寸為2/3",C接口，5百萬像素;

視野是100*100mm, 工作距離:500mm;

根據以上條件,我們來選擇合適的工業鏡頭;

鏡頭接口:?????? ? 首先工業鏡頭要和工業相機接口一致,所以這里也選擇C接口;

鏡頭大小:????? ? 遵循鏡頭大小要大于相機的芯片大小,所以這里鏡頭尺寸最少支持2/3";

鏡頭分辨率:? ? 鏡頭的分辨率要高于相機的分辨率,所以選擇5百萬像素以上;

焦距:??????????????? ? 500(工作距離)× 8.8(芯片水平長度)/ 100(視野)=44mm;

鏡頭放大倍率:? 8.8(芯片水平長度)/ 100=0.088

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