光學鏡頭基礎知識
光(guang)(guang)學鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)是機(ji)器視覺(jue)系統中(zhong)必不可少的部(bu)件,直接(jie)影(ying)響成像質(zhi)量的優劣，影(ying)響算法的實現和效果。另(ling)外爭取(qu)選擇合適的鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)，降低機(ji)器視覺(jue)系統成本，才是產(chan)業興旺發達的唯(wei)一出路。光(guang)(guang)學鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)規(gui)格繁多(duo)，有時不免頭(tou)(tou)(tou)(tou)暈。光(guang)(guang)學鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)從焦距上可分(fen)為短焦鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、中(zhong)焦鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)，長焦鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)；從視場(chang)大小(xiao)分(fen)有廣角、標(biao)準，遠攝鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)；結構上分(fen)有固定光(guang)(guang)圈(quan)定焦鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)，手(shou)動光(guang)(guang)圈(quan)定焦鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)，自動光(guang)(guang)圈(quan)定焦鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)，手(shou)動變焦鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、自動變焦鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)，自動光(guang)(guang)圈(quan)電(dian)動變焦鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)，電(dian)動三(san)可變（光(guang)(guang)圈(quan)、焦距、聚焦均(jun)可變）鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)等。根據我們使用的經驗，俄羅斯的光(guang)(guang)學鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)很便(bian)宜。
結構上分：
1、固(gu)定(ding)光圈定(ding)焦鏡頭(tou)
簡單(dan)。鏡(jing)頭只有(you)(you)一(yi)個可(ke)以手動調(diao)整(zheng)的對焦調(diao)整(zheng)環(huan)，左右旋轉該環(huan)可(ke)使成(cheng)像在CCD靶面(mian)上的圖像最清(qing)晰。沒有(you)(you)光(guang)圈調(diao)整(zheng)環(huan)，光(guang)圈不能調(diao)整(zheng)，進入鏡(jing)頭的光(guang)通量不能通過改變鏡(jing)頭因素而改變，只能通過改變視場(chang)的光(guang)照(zhao)度來(lai)調(diao)整(zheng)。結(jie)構簡單(dan)，價格便宜。
2、手動光圈(quan)定焦(jiao)鏡頭
手(shou)(shou)動光(guang)(guang)圈定焦鏡頭(tou)比(bi)固定光(guang)(guang)圈定焦鏡頭(tou)增(zeng)加了光(guang)(guang)圈調整環，光(guang)(guang)圈范圍一般從F1.2或(huo)F1.4到(dao)全關閉，能方便地適(shi)應被拍攝(she)現場地的光(guang)(guang)照度，光(guang)(guang)圈調整是通過(guo)手(shou)(shou)動人為進行的。光(guang)(guang)照度比(bi)較(jiao)均勻，價格較(jiao)便宜。
3、自動光圈定焦鏡(jing)頭
在(zai)手動(dong)(dong)光(guang)(guang)(guang)圈(quan)定焦鏡(jing)(jing)頭的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)圈(quan)調(diao)整環上增(zeng)加一個(ge)齒輪合傳動(dong)(dong)的(de)(de)(de)微型電機，并從驅動(dong)(dong)電路引出(chu)3或(huo)4芯屏蔽線，接(jie)(jie)到攝像機自動(dong)(dong)光(guang)(guang)(guang)圈(quan)接(jie)(jie)口座上。當進入鏡(jing)(jing)頭的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)通量變(bian)化(hua)時，攝像機CCD靶面(mian)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)電荷發生(sheng)(sheng)相應的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，從而使視頻信號電平發生(sheng)(sheng)變(bian)化(hua)，產生(sheng)(sheng)一個(ge)控制信號，傳給(gei)自動(dong)(dong)光(guang)(guang)(guang)圈(quan)鏡(jing)(jing)頭，從而使鏡(jing)(jing)頭內的(de)(de)(de)電機做相應的(de)(de)(de)正向或(huo)反(fan)向轉(zhuan)動(dong)(dong)，完成(cheng)調(diao)整大(da)小的(de)(de)(de)任務。
4、手動光圈變(bian)焦鏡頭
焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)距可(ke)變的，有一(yi)個焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)距調(diao)整(zheng)環(huan)，可(ke)以在(zai)一(yi)定(ding)范(fan)圍內調(diao)整(zheng)鏡頭的焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)距，其可(ke)變比一(yi)般為(wei)2～3倍，焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)距一(yi)般為(wei)3.6~8mm。實(shi)際應用(yong)中，可(ke)通過手(shou)動(dong)調(diao)節(jie)鏡頭的變焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)環(huan)，可(ke)以方便地(di)選擇被監視(shi)地(di)市(shi)場的市(shi)場角(jiao)。但是當攝像機安(an)裝位置固定(ding)下以后(hou)(hou)，在(zai)頻繁地(di)手(shou)動(dong)調(diao)整(zheng)變焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)是很不(bu)方便的。因此，工程完工后(hou)(hou)，手(shou)動(dong)變焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)鏡頭的焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)距一(yi)般很少(shao)調(diao)整(zheng)。僅起定(ding)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)鏡頭的作用(yong)。
5、自動(dong)光圈(quan)電(dian)動(dong)變焦鏡頭
與(yu)自動光圈定(ding)焦鏡(jing)(jing)頭相比增加了(le)兩(liang)個(ge)微型電(dian)機(ji)，其中一個(ge)電(dian)機(ji)與(yu)鏡(jing)(jing)頭的變(bian)焦環合(he)，當其轉動時(shi)可以控制鏡(jing)(jing)頭的焦距(ju)；另一電(dian)機(ji)與(yu)鏡(jing)(jing)頭的對焦環合(he)，當其受控轉動時(shi)可完成(cheng)鏡(jing)(jing)頭的對焦。但是，由于增加了(le)兩(liang)個(ge)電(dian)機(ji)且鏡(jing)(jing)片組數增多，鏡(jing)(jing)頭的體積也相應增大。
6、電動三可變鏡頭
與自動(dong)光圈電(dian)動(dong)變焦鏡頭相比，只是將對光圈調整電(dian)機的控(kong)制(zhi)由(you)自動(dong)控(kong)制(zhi)改為(wei)由(you)控(kong)制(zhi)器來手(shou)動(dong)控(kong)制(zhi)。
場合上分：
按視場(chang)大(da)小分為(wei)：小視場(chang)鏡頭，普通鏡頭（約50度(du)左(zuo)右(you)），廣(guang)角(jiao)鏡頭和(he)特廣(guang)角(jiao)鏡頭（100－120度(du)）
1、標(biao)(biao)準鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)：視角約50度，也是人單眼在頭(tou)(tou)(tou)和眼不轉動的(de)(de)情(qing)況下(xia)所能看到的(de)(de)視角，所以又稱為(wei)標(biao)(biao)準鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)。5mm相機的(de)(de)標(biao)(biao)準鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)的(de)(de)焦距多為(wei)40mm，50mm或55mm。120相機的(de)(de)標(biao)(biao)準鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)焦距多為(wei)80mm或75mm。CCD芯(xin)片越大(da)則標(biao)(biao)準鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)的(de)(de)焦距越長。
２、廣角(jiao)鏡(jing)頭(tou)(tou)：視(shi)角(jiao)90度(du)以(yi)上(shang)，適用于(yu)拍攝距(ju)離近且范圍大的(de)(de)景(jing)物(wu)，又能刻意夸大前景(jing)表現強烈遠(yuan)近感即透視(shi)。35mm相(xiang)機的(de)(de)典型廣角(jiao)鏡(jing)頭(tou)(tou)是焦(jiao)距(ju)28mm，視(shi)角(jiao)為72度(du)。120相(xiang)機的(de)(de)50，40mm的(de)(de)鏡(jing)頭(tou)(tou)便相(xiang)當于(yu)35mm相(xiang)機的(de)(de)35，28mm的(de)(de)鏡(jing)頭(tou)(tou)。
３、長焦(jiao)距(ju)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)：適于拍攝距(ju)離遠的(de)(de)(de)景(jing)物，景(jing)深小容(rong)易使背(bei)景(jing)模(mo)糊主(zhu)體(ti)突(tu)出(chu)，但體(ti)積笨重且(qie)對動態主(zhu)體(ti)對焦(jiao)不易。35mm相機(ji)長焦(jiao)距(ju)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)通常分為(wei)三級，135mm以下稱(cheng)中焦(jiao)距(ju)，135－500mm稱(cheng)長焦(jiao)距(ju)，500mm120相機(ji)的(de)(de)(de)150mm的(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)相當于35mm相機(ji)的(de)(de)(de)105mm鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)。由(you)于長焦(jiao)距(ju)的(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)過(guo)于笨重，所(suo)以遠鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)的(de)(de)(de)設計，即在鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)后面加一負透鏡(jing)(jing)(jing)，把鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)的(de)(de)(de)主(zhu)平面前移，便可用較短的(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)(jing)體(ti)獲得鏡(jing)(jing)(jing)體(ti)長焦(jiao)距(ju)的(de)(de)(de)效果。
４、反射式望(wang)遠鏡(jing)頭(tou)：是另一種超望(wang)遠鏡(jing)頭(tou)的(de)設(she)計，利(li)用反射鏡(jing)面來(lai)構成(cheng)影(ying)像(xiang)，但因設(she)計的(de)關系無法裝設(she)光圈(quan)，僅能(neng)以快門來(lai)調整曝光。
５、微距(ju)鏡頭(tou)（marcolens）：除作極近距(ju)離的微距(ju)攝影外，也(ye)可遠攝。
接口類型來分：
1、C型鏡頭
法(fa)(fa)蘭(lan)焦(jiao)(jiao)距是(shi)(shi)安裝法(fa)(fa)蘭(lan)到(dao)(dao)入(ru)射(she)鏡(jing)頭的(de)(de)(de)平行光的(de)(de)(de)匯聚點之間的(de)(de)(de)距離(li)(li)。法(fa)(fa)蘭(lan)焦(jiao)(jiao)距為(wei)17.526mm或0.690in。鏡(jing)頭可以用在長度為(wei)0.512in(13mm)以內的(de)(de)(de)線陣(zhen)傳感器。但是(shi)(shi)，由于幾何變形和市場角特性(xing)，必須(xu)鑒(jian)別短焦(jiao)(jiao)鏡(jing)頭是(shi)(shi)否合用。如焦(jiao)(jiao)距為(wei)12.6mm的(de)(de)(de)鏡(jing)頭不應(ying)該用長度大(da)于6.5mm的(de)(de)(de)線陣(zhen)。如果利用法(fa)(fa)蘭(lan)焦(jiao)(jiao)距尺(chi)寸(cun)確(que)定了(le)鏡(jing)頭到(dao)(dao)列陣(zhen)的(de)(de)(de)距離(li)(li)，則(ze)對于物(wu)方(fang)放(fang)大(da)倍數小于20倍時需(xu)增加鏡(jing)頭接(jie)(jie)圈。接(jie)(jie)圈加在鏡(jing)頭后面，以增加鏡(jing)頭到(dao)(dao)像的(de)(de)(de)距離(li)(li)，以為(wei)多(duo)數鏡(jing)頭的(de)(de)(de)聚焦(jiao)(jiao)范圍(wei)位(wei)5－10％。鏡(jing)頭接(jie)(jie)長距離(li)(li)為(wei)焦(jiao)(jiao)距/物(wu)放(fang)大(da)倍數。
2、CS型鏡頭
3、U型鏡頭
一種可變(bian)焦距(ju)(ju)的(de)鏡頭，其法(fa)蘭焦距(ju)(ju)為47.526mm或(huo)1.7913in，安裝羅紋(wen)為M42×1。主要設(she)計(ji)作35mm照片(pian)應用(yong)（如(ru)國產和(he)進口的(de)各(ge)種135相機鏡頭），可用(yong)于任何長度(du)小(xiao)于1.25in(38.1mm)的(de)列陣。建(jian)議不要用(yong)短焦距(ju)(ju)鏡頭。442mm鏡頭、3L型(xing)鏡頭
固(gu)定焦距寬視(shi)場鏡頭，最初設計作照相放大作用(yong)（如國產各種放大機鏡頭），且在(zai)2.25in(63.5mm)視(shi)場內具有良(liang)好的特性(xing)。法蘭(lan)焦距是具體(ti)鏡頭的函數。安裝螺紋為M39×1。可用(yong)于長度為1.25in(35.1)以內的列(lie)陣(zhen)，且不受限(xian)制。
4、特殊鏡頭
如顯微放大系統。要(yao)特(te)別(bie)注意CS和(he)C的差別(bie)，不(bu)同類型的camera和(he)不(bu)同類型的Len連接(jie)時(shi)，要(yao)定(ding)制轉接(jie)環。光學鏡頭的主要(yao)參數和(he)評價主要(yao)參數有焦距，視場，物距，光圈，快門(men)等(deng)。
對于鏡頭(tou)最完善的(de)(de)評(ping)價莫過(guo)于MTF（ModulationTransferFunction）。但(dan)是由于像差（標(biao)定的(de)(de)原因），鏡頭(tou)的(de)(de)每(mei)個(ge)范圍都有(you)一個(ge)MTF值。這(zhe)些(xie)范圍指的(de)(de)是：
1）近軸部分
2）離軸部分
3）當光學系統存在不(bu)對稱畸(ji)變時，上(shang)述兩部(bu)分在不(bu)同方向上(shang)的(de)子部(bu)分。每個部(bu)分對于不(bu)同的(de)輻(fu)射能量波長范圍，都有各自相應(ying)的(de)MTF值。MTF是評價成像系統的(de)最(zui)常用、最(zui)優(you)的(de)指標，也是指導機器視(shi)覺系統集成的(de)最(zui)優(you)指標。
光圈常識
照相機(ji)的(de)鏡頭有(you)一個控制(zhi)透(tou)光(guang)(guang)量的(de)裝(zhuang)置(zhi)，就叫(jiao)光(guang)(guang)圈(quan)。光(guang)(guang)圈(quan)開的(de)大，透(tou)光(guang)(guang)量便(bian)大；開的(de)小(xiao)，透(tou)光(guang)(guang)量便(bian)小(xiao)，但只靠(kao)光(guang)(guang)圈(quan)還不能完全(quan)描(miao)述作(zuo)用于軟(ruan)片上的(de)光(guang)(guang)線強(qiang)度，鏡頭與(yu)軟(ruan)片間(jian)的(de)距(ju)(ju)(ju)離也有(you)關系，也就是和(he)鏡頭的(de)焦距(ju)(ju)(ju)有(you)關系，焦距(ju)(ju)(ju)小(xiao)光(guang)(guang)圈(quan)離軟(ruan)片較近，光(guang)(guang)線的(de)作(zuo)用便(bian)較強(qiang)。
光圈的功能
1、控制光(guang)量的(de)透入：光(guang)線(xian)透過(guo)鏡頭(tou)射到軟(ruan)片(pian)的(de)強(qiang)度是和光(guang)圈系數平方成反比，也就是相鄰兩(liang)(liang)級(ji)的(de)光(guang)圈作用于軟(ruan)片(pian)上(shang)的(de)光(guang)線(xian)強(qiang)度有兩(liang)(liang)倍的(de)關系。
2、調節景(jing)(jing)深(shen)(shen)：所謂的(de)(de)(de)(de)景(jing)(jing)深(shen)(shen)，就(jiu)是(shi)(shi)鏡(jing)頭對焦處前后(hou)所能成像清(qing)晰的(de)(de)(de)(de)范(fan)圍，它鏡(jing)頭焦距，光(guang)(guang)圈，及被(bei)攝(she)景(jing)(jing)物(wu)(wu)主(zhu)體的(de)(de)(de)(de)距離(li)有關。鏡(jing)頭焦距越(yue)短，光(guang)(guang)圈越(yue)小(xiao)，被(bei)攝(she)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)距離(li)，景(jing)(jing)深(shen)(shen)越(yue)大(da)清(qing)晰的(de)(de)(de)(de)范(fan)圍越(yue)大(da)；反(fan)(fan)之亦然，所以就(jiu)光(guang)(guang)圈來講，小(xiao)光(guang)(guang)圈景(jing)(jing)深(shen)(shen)大(da)，清(qing)晰細(xi)密(mi)的(de)(de)(de)(de)表(biao)出遠近(jin)的(de)(de)(de)(de)明銳感；大(da)光(guang)(guang)圈景(jing)(jing)深(shen)(shen)小(xiao)，則可(ke)使(shi)主(zhu)體突出，表(biao)現主(zhu)體以外前后(hou)主(zhu)題的(de)(de)(de)(de)模糊感，值得一提的(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)，若(ruo)要前后(hou)景(jing)(jing)物(wu)(wu)都清(qing)晰，應(ying)使(shi)用(yong)小(xiao)光(guang)(guang)圈，但以小(xiao)到(dao)能涵蓋希望的(de)(de)(de)(de)景(jing)(jing)深(shen)(shen)即可(ke)，不必過小(xiao)，過小(xiao)便(bian)會(hui)受到(dao)繞射(she)的(de)(de)(de)(de)影響，反(fan)(fan)而降低其(qi)解像力。
快門常識
相(xiang)機(ji)的(de)(de)快(kuai)門是控制(zhi)曝(pu)光(guang)時(shi)間(jian)長短的(de)(de)機(ji)關(guan)，快(kuai)門經(jing)常處于關(guan)閉(bi)(bi)狀態，已防裝在相(xiang)機(ji)內的(de)(de)底片露光(guang)，攝(she)影(ying)時(shi)將它一開一閉(bi)(bi)，讓透過(guo)鏡頭(tou)(tou)的(de)(de)影(ying)像光(guang)線(xian)作用于軟片上。早(zao)期的(de)(de)座架式相(xiang)機(ji)沒有(you)快(kuai)門裝置。僅備一鏡頭(tou)(tou)蓋(gai)(gai)套在鏡頭(tou)(tou)上，取(qu)景對焦時(shi)取(qu)下鏡頭(tou)(tou)蓋(gai)(gai)，套上鏡頭(tou)(tou)蓋(gai)(gai)再(zai)裝感光(guang)片，攝(she)影(ying)時(shi)將鏡頭(tou)(tou)蓋(gai)(gai)掀開一剎那時(shi)間(jian)遂即蓋(gai)(gai)上。現在快(kuai)門已進步到由機(ji)械(xie)或(huo)電子操縱開啟時(shi)間(jian)。快(kuai)門的(de)(de)功能分述如下：
１、開啟時(shi)間(jian)的(de)(de)(de)長短(duan)來(lai)控制透入光(guang)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)多(duo)少，假若被攝體的(de)(de)(de)明度(du)和鏡(jing)頭的(de)(de)(de)光(guang)圈(quan)不(bu)變，快(kuai)門(men)(men)開啟時(shi)間(jian)長，作用于軟(ruan)(ruan)片的(de)(de)(de)光(guang)量(liang)(liang)多(duo)，快(kuai)門(men)(men)開啟時(shi)間(jian)短(duan)，作用于軟(ruan)(ruan)片的(de)(de)(de)光(guang)量(liang)(liang)少。快(kuai)門(men)(men)開啟時(shi)間(jian)的(de)(de)(de)長短(duan)叫做快(kuai)門(men)(men)速度(du)（Shutterspeed)。為便于調(diao)整(zheng)(zheng)曝光(guang)，鏡(jing)頭快(kuai)門(men)(men)相(xiang)機的(de)(de)(de)鏡(jing)頭上裝有快(kuai)門(men)(men)速度(du)調(diao)整(zheng)(zheng)環，焦面(mian)快(kuai)門(men)(men)相(xiang)機（較普遍）的(de)(de)(de)機身上裝有快(kuai)門(men)(men)速度(du)調(diao)整(zheng)(zheng)環。在快(kuai)門(men)(men)速度(du)調(diao)整(zheng)(zheng)環上，將快(kuai)門(men)(men)速度(du)分為若干級。
２、配合(he)光圈(quan)曝光：攝影(ying)曝光正確(que)，才能(neng)產生層次豐富細節清晰的(de)照(zhao)(zhao)片(pian)(pian)。曝光要(yao)正確(que)，必須按照(zhao)(zhao)軟(ruan)片(pian)(pian)速(su)度與光圈(quan)強弱(ruo)，將快門(men)速(su)度和光圈(quan)適(shi)當配合(he)。控(kong)制鏡(jing)頭(tou)進光量，需要(yao)由鏡(jing)頭(tou)的(de)所(suo)謂(wei)"孔徑光闌"來控(kong)制。孔徑光闌都是位(wei)于鏡(jing)頭(tou)內部，通常(chang)由多片(pian)(pian)可(ke)活動的(de)金屬葉片(pian)(pian)(稱為光闌葉片(pian)(pian))組成，可(ke)以使中間(jian)形成的(de)(近(jin)似)圓孔變大或者縮小，以達到控(kong)制通過(guo)光量大小的(de)目的(de)。
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