光學鏡頭基礎知識

光(guang)(guang)(guang)學鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)是機器視覺系(xi)統中(zhong)必不(bu)可少(shao)的(de)(de)部(bu)件,直接影響成像質(zhi)量的(de)(de)優劣，影響算(suan)法的(de)(de)實現(xian)和效(xiao)果(guo)。另外爭(zheng)取(qu)選擇(ze)合適的(de)(de)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)，降低機器視覺系(xi)統成本(ben)，才是產業(ye)興旺發達的(de)(de)唯一出路。光(guang)(guang)(guang)學鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)規(gui)格繁(fan)多，有時不(bu)免頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)暈(yun)。光(guang)(guang)(guang)學鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)從焦(jiao)(jiao)距上可分為短焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)、中(zhong)焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)，長焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)；從視場大小(xiao)分有廣角、標準，遠攝鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)；結(jie)構上分有固定(ding)光(guang)(guang)(guang)圈(quan)定(ding)焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)，手動光(guang)(guang)(guang)圈(quan)定(ding)焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)，自動光(guang)(guang)(guang)圈(quan)定(ding)焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)，手動變焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)、自動變焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)，自動光(guang)(guang)(guang)圈(quan)電動變焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)，電動三可變（光(guang)(guang)(guang)圈(quan)、焦(jiao)(jiao)距、聚焦(jiao)(jiao)均可變）鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)等。根據我(wo)們使(shi)用(yong)的(de)(de)經驗，俄羅斯的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)學鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)很便(bian)宜。

結構上分：

1、固定光圈定焦鏡頭

簡單(dan)。鏡(jing)頭(tou)只有(you)一個可以手(shou)動調整(zheng)的對焦調整(zheng)環(huan)，左(zuo)右旋轉該(gai)環(huan)可使(shi)成(cheng)像在CCD靶面上的圖像最清晰。沒有(you)光(guang)(guang)圈調整(zheng)環(huan)，光(guang)(guang)圈不能調整(zheng)，進入鏡(jing)頭(tou)的光(guang)(guang)通量不能通過改變(bian)鏡(jing)頭(tou)因素而改變(bian)，只能通過改變(bian)視場(chang)的光(guang)(guang)照(zhao)度來調整(zheng)。結構簡單(dan)，價格便宜。

2、手動光(guang)圈(quan)定(ding)焦鏡頭

手動(dong)光圈(quan)定焦鏡頭(tou)比固定光圈(quan)定焦鏡頭(tou)增加(jia)了光圈(quan)調整環，光圈(quan)范圍一般從(cong)F1.2或(huo)F1.4到全關(guan)閉，能方(fang)便(bian)地(di)適應被拍攝現場地(di)的光照度(du)，光圈(quan)調整是(shi)通過(guo)手動(dong)人(ren)為進行的。光照度(du)比較均勻，價格較便(bian)宜。

3、自動光圈定焦鏡頭(tou)

在手動(dong)(dong)光圈(quan)定焦鏡(jing)頭的(de)光圈(quan)調整(zheng)環(huan)上增加(jia)一個齒輪合(he)傳動(dong)(dong)的(de)微(wei)型電機(ji)，并從(cong)驅(qu)動(dong)(dong)電路引出3或(huo)4芯屏蔽線，接到(dao)攝像(xiang)機(ji)自(zi)動(dong)(dong)光圈(quan)接口座上。當進入鏡(jing)頭的(de)光通量變化時，攝像(xiang)機(ji)CCD靶面產(chan)生的(de)電荷發生相(xiang)應的(de)變化，從(cong)而(er)使(shi)視(shi)頻信(xin)號(hao)電平發生變化，產(chan)生一個控制信(xin)號(hao)，傳給自(zi)動(dong)(dong)光圈(quan)鏡(jing)頭，從(cong)而(er)使(shi)鏡(jing)頭內(nei)的(de)電機(ji)做相(xiang)應的(de)正向或(huo)反向轉動(dong)(dong)，完成調整(zheng)大小(xiao)的(de)任務(wu)。

4、手(shou)動(dong)光圈變(bian)焦鏡頭(tou)

焦(jiao)(jiao)距(ju)(ju)(ju)可(ke)變(bian)(bian)的(de)，有一(yi)個焦(jiao)(jiao)距(ju)(ju)(ju)調整環(huan)，可(ke)以在(zai)一(yi)定(ding)范圍內(nei)調整鏡(jing)頭(tou)的(de)焦(jiao)(jiao)距(ju)(ju)(ju)，其可(ke)變(bian)(bian)比一(yi)般(ban)(ban)為2～3倍(bei)，焦(jiao)(jiao)距(ju)(ju)(ju)一(yi)般(ban)(ban)為3.6~8mm。實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)(yong)中，可(ke)通過手動(dong)調節鏡(jing)頭(tou)的(de)變(bian)(bian)焦(jiao)(jiao)環(huan)，可(ke)以方(fang)(fang)便(bian)(bian)地選擇被監視地市場的(de)市場角(jiao)。但是當攝像機安裝位置固定(ding)下以后，在(zai)頻繁地手動(dong)調整變(bian)(bian)焦(jiao)(jiao)是很不方(fang)(fang)便(bian)(bian)的(de)。因此，工(gong)程完工(gong)后，手動(dong)變(bian)(bian)焦(jiao)(jiao)鏡(jing)頭(tou)的(de)焦(jiao)(jiao)距(ju)(ju)(ju)一(yi)般(ban)(ban)很少調整。僅起定(ding)焦(jiao)(jiao)鏡(jing)頭(tou)的(de)作用(yong)(yong)。

5、自動光圈電動變焦鏡頭(tou)

與(yu)(yu)自動(dong)(dong)光圈定焦(jiao)鏡(jing)(jing)頭相比增加了兩個(ge)微型(xing)電機，其中一(yi)個(ge)電機與(yu)(yu)鏡(jing)(jing)頭的(de)(de)變焦(jiao)環(huan)合，當其轉(zhuan)動(dong)(dong)時可(ke)以控(kong)制鏡(jing)(jing)頭的(de)(de)焦(jiao)距；另(ling)一(yi)電機與(yu)(yu)鏡(jing)(jing)頭的(de)(de)對焦(jiao)環(huan)合，當其受(shou)控(kong)轉(zhuan)動(dong)(dong)時可(ke)完成鏡(jing)(jing)頭的(de)(de)對焦(jiao)。但(dan)是(shi)，由于增加了兩個(ge)電機且鏡(jing)(jing)片(pian)組數增多(duo)，鏡(jing)(jing)頭的(de)(de)體積也相應(ying)增大。

6、電動三可變鏡頭

與自動(dong)(dong)光(guang)(guang)圈電(dian)動(dong)(dong)變焦鏡頭(tou)相比，只是將對光(guang)(guang)圈調整電(dian)機的控(kong)制由自動(dong)(dong)控(kong)制改為(wei)由控(kong)制器來手動(dong)(dong)控(kong)制。

場合上分：

按視(shi)場大小分為：小視(shi)場鏡(jing)頭，普通鏡(jing)頭（約50度左(zuo)右），廣(guang)(guang)角鏡(jing)頭和特(te)廣(guang)(guang)角鏡(jing)頭（100－120度）

1、標(biao)(biao)準鏡(jing)頭：視角(jiao)約50度，也是人單眼在頭和眼不轉動的(de)情況下所(suo)能(neng)看到的(de)視角(jiao)，所(suo)以(yi)又稱為(wei)標(biao)(biao)準鏡(jing)頭。5mm相(xiang)機的(de)標(biao)(biao)準鏡(jing)頭的(de)焦(jiao)(jiao)距(ju)多(duo)(duo)為(wei)40mm，50mm或(huo)55mm。120相(xiang)機的(de)標(biao)(biao)準鏡(jing)頭焦(jiao)(jiao)距(ju)多(duo)(duo)為(wei)80mm或(huo)75mm。CCD芯片(pian)越大則標(biao)(biao)準鏡(jing)頭的(de)焦(jiao)(jiao)距(ju)越長(chang)。

２、廣(guang)角(jiao)(jiao)鏡頭(tou)：視角(jiao)(jiao)90度(du)以上，適用于拍攝距離近且范圍大的(de)(de)景物，又能刻(ke)意夸大前景表現強(qiang)烈(lie)遠近感即透視。35mm相(xiang)機(ji)的(de)(de)典型廣(guang)角(jiao)(jiao)鏡頭(tou)是焦距28mm，視角(jiao)(jiao)為72度(du)。120相(xiang)機(ji)的(de)(de)50，40mm的(de)(de)鏡頭(tou)便相(xiang)當于35mm相(xiang)機(ji)的(de)(de)35，28mm的(de)(de)鏡頭(tou)。

３、長焦距(ju)(ju)(ju)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)：適于拍攝距(ju)(ju)(ju)離遠的(de)景(jing)物(wu)，景(jing)深小容易使背景(jing)模糊(hu)主體突出，但(dan)體積笨(ben)重且對動態主體對焦不(bu)易。35mm相機(ji)(ji)長焦距(ju)(ju)(ju)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)通常分(fen)為三級，135mm以下稱(cheng)中焦距(ju)(ju)(ju)，135－500mm稱(cheng)長焦距(ju)(ju)(ju)，500mm120相機(ji)(ji)的(de)150mm的(de)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)相當于35mm相機(ji)(ji)的(de)105mm鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)。由(you)于長焦距(ju)(ju)(ju)的(de)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)過(guo)于笨(ben)重，所以遠鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)的(de)設(she)計，即在鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)后面加一負透鏡(jing)(jing)(jing)，把鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)的(de)主平(ping)面前移，便(bian)可(ke)用(yong)較(jiao)短的(de)鏡(jing)(jing)(jing)體獲得(de)鏡(jing)(jing)(jing)體長焦距(ju)(ju)(ju)的(de)效果。

４、反射式望遠鏡頭(tou)(tou)：是另一種超望遠鏡頭(tou)(tou)的(de)設(she)計(ji)，利用(yong)反射鏡面來構成影像，但(dan)因(yin)設(she)計(ji)的(de)關系無法裝設(she)光圈(quan)，僅能以快門來調(diao)整(zheng)曝光。

５、微(wei)距鏡(jing)頭（marcolens）：除作極近(jin)距離(li)的微(wei)距攝影外，也可遠攝。

接口類型來分：

1、C型鏡頭

法(fa)蘭焦距(ju)是(shi)安(an)裝(zhuang)法(fa)蘭到入射鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)的(de)(de)(de)平行光的(de)(de)(de)匯聚點之間的(de)(de)(de)距(ju)離(li)。法(fa)蘭焦距(ju)為(wei)17.526mm或0.690in。鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)可以(yi)用(yong)(yong)在(zai)長度(du)為(wei)0.512in(13mm)以(yi)內的(de)(de)(de)線陣(zhen)(zhen)傳感(gan)器。但是(shi)，由于(yu)幾何變形和市場(chang)角特性，必須鑒別(bie)短焦鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)是(shi)否合用(yong)(yong)。如(ru)焦距(ju)為(wei)12.6mm的(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)不應該用(yong)(yong)長度(du)大于(yu)6.5mm的(de)(de)(de)線陣(zhen)(zhen)。如(ru)果(guo)利(li)用(yong)(yong)法(fa)蘭焦距(ju)尺寸(cun)確定(ding)了鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)到列陣(zhen)(zhen)的(de)(de)(de)距(ju)離(li)，則對于(yu)物方放大倍(bei)(bei)數小于(yu)20倍(bei)(bei)時需增加(jia)(jia)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)接(jie)圈。接(jie)圈加(jia)(jia)在(zai)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)后面，以(yi)增加(jia)(jia)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)到像(xiang)的(de)(de)(de)距(ju)離(li)，以(yi)為(wei)多數鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)的(de)(de)(de)聚焦范(fan)圍位5－10％。鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)接(jie)長距(ju)離(li)為(wei)焦距(ju)/物放大倍(bei)(bei)數。

2、CS型鏡頭

3、U型鏡頭

一種可變(bian)焦(jiao)(jiao)距的鏡(jing)頭(tou)，其法蘭焦(jiao)(jiao)距為47.526mm或1.7913in，安裝羅紋為M42×1。主要(yao)設計作35mm照片應用（如國產和進(jin)口的各種135相機(ji)鏡(jing)頭(tou)），可用于任何長度小于1.25in(38.1mm)的列陣。建(jian)議不要(yao)用短焦(jiao)(jiao)距鏡(jing)頭(tou)。442mm鏡(jing)頭(tou)、3L型鏡(jing)頭(tou)

固定焦(jiao)距寬視(shi)場鏡頭(tou)，最初設計(ji)作照相(xiang)放(fang)大作用（如國(guo)產各種放(fang)大機鏡頭(tou)），且(qie)(qie)在(zai)2.25in(63.5mm)視(shi)場內具有(you)良好的(de)特性。法蘭焦(jiao)距是具體(ti)鏡頭(tou)的(de)函數。安裝螺紋為(wei)M39×;1。可(ke)用于長度為(wei)1.25in(35.1)以(yi)內的(de)列陣，且(qie)(qie)不受(shou)限制。

4、特殊鏡頭

如顯微放(fang)大系統(tong)。要(yao)特別(bie)注意CS和(he)C的(de)差別(bie)，不同(tong)類型的(de)camera和(he)不同(tong)類型的(de)Len連接時，要(yao)定制(zhi)轉接環。光學鏡頭的(de)主(zhu)要(yao)參數(shu)和(he)評(ping)價主(zhu)要(yao)參數(shu)有焦距(ju)，視(shi)場，物距(ju)，光圈，快門等。

對于鏡頭最完善的(de)評價(jia)莫過于MTF（ModulationTransferFunction）。但(dan)是(shi)由于像差（標定的(de)原因），鏡頭的(de)每個范圍(wei)都有一(yi)個MTF值。這些范圍(wei)指的(de)是(shi)：

1）近軸部分

2）離軸部分

3）當光學系(xi)統存在不對(dui)稱畸變(bian)時，上(shang)述(shu)兩部(bu)分(fen)(fen)在不同方向上(shang)的(de)子部(bu)分(fen)(fen)。每(mei)個部(bu)分(fen)(fen)對(dui)于不同的(de)輻射能量波(bo)長范圍，都有各自相應的(de)MTF值。MTF是評價(jia)成(cheng)像系(xi)統的(de)最(zui)常用、最(zui)優的(de)指標，也是指導機器(qi)視覺(jue)系(xi)統集成(cheng)的(de)最(zui)優指標。

光圈常識

照相機的(de)鏡頭有一個控制透(tou)光(guang)(guang)量的(de)裝置(zhi)，就(jiu)叫光(guang)(guang)圈(quan)(quan)(quan)。光(guang)(guang)圈(quan)(quan)(quan)開(kai)的(de)大(da)(da)，透(tou)光(guang)(guang)量便大(da)(da)；開(kai)的(de)小，透(tou)光(guang)(guang)量便小，但只靠光(guang)(guang)圈(quan)(quan)(quan)還不能(neng)完(wan)全描述作(zuo)用于軟片上的(de)光(guang)(guang)線(xian)(xian)強度，鏡頭與軟片間的(de)距離(li)也有關系，也就(jiu)是(shi)和(he)鏡頭的(de)焦距有關系，焦距小光(guang)(guang)圈(quan)(quan)(quan)離(li)軟片較(jiao)近，光(guang)(guang)線(xian)(xian)的(de)作(zuo)用便較(jiao)強。

光圈的功能

1、控制光(guang)量的透入：光(guang)線透過鏡頭(tou)射(she)到(dao)軟片(pian)的強度是和光(guang)圈系數平方(fang)成反比，也就是相鄰兩(liang)(liang)級的光(guang)圈作用于軟片(pian)上的光(guang)線強度有(you)兩(liang)(liang)倍的關系。

2、調節景(jing)(jing)(jing)深(shen)(shen)：所(suo)謂的景(jing)(jing)(jing)深(shen)(shen)，就是鏡頭(tou)(tou)對焦處(chu)前后(hou)所(suo)能成像清晰(xi)的范圍，它鏡頭(tou)(tou)焦距(ju)(ju)，光(guang)圈(quan)(quan)，及被攝景(jing)(jing)(jing)物主(zhu)體的距(ju)(ju)離有(you)關。鏡頭(tou)(tou)焦距(ju)(ju)越(yue)短，光(guang)圈(quan)(quan)越(yue)小(xiao)，被攝物的距(ju)(ju)離，景(jing)(jing)(jing)深(shen)(shen)越(yue)大(da)(da)清晰(xi)的范圍越(yue)大(da)(da)；反之亦然，所(suo)以就光(guang)圈(quan)(quan)來講，小(xiao)光(guang)圈(quan)(quan)景(jing)(jing)(jing)深(shen)(shen)大(da)(da)，清晰(xi)細(xi)密的表出遠(yuan)近的明(ming)銳感；大(da)(da)光(guang)圈(quan)(quan)景(jing)(jing)(jing)深(shen)(shen)小(xiao)，則(ze)可(ke)使(shi)(shi)主(zhu)體突出，表現(xian)主(zhu)體以外前后(hou)主(zhu)題的模糊感，值得一提的是，若要前后(hou)景(jing)(jing)(jing)物都清晰(xi)，應使(shi)(shi)用小(xiao)光(guang)圈(quan)(quan)，但以小(xiao)到能涵(han)蓋希望的景(jing)(jing)(jing)深(shen)(shen)即可(ke)，不必過(guo)小(xiao)，過(guo)小(xiao)便會受到繞射的影響，反而降(jiang)低其解像力。

快門常識

相機的(de)(de)快(kuai)(kuai)門(men)(men)是控(kong)制曝光時間(jian)長短的(de)(de)機關，快(kuai)(kuai)門(men)(men)經常(chang)處于(yu)關閉狀態，已防(fang)裝(zhuang)(zhuang)在相機內的(de)(de)底片(pian)(pian)露光，攝(she)影時將(jiang)它(ta)一(yi)開一(yi)閉，讓透過鏡(jing)頭(tou)的(de)(de)影像光線作用于(yu)軟片(pian)(pian)上(shang)。早期的(de)(de)座架式相機沒(mei)有快(kuai)(kuai)門(men)(men)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)。僅備一(yi)鏡(jing)頭(tou)蓋(gai)(gai)(gai)套在鏡(jing)頭(tou)上(shang)，取景對焦(jiao)時取下鏡(jing)頭(tou)蓋(gai)(gai)(gai)，套上(shang)鏡(jing)頭(tou)蓋(gai)(gai)(gai)再裝(zhuang)(zhuang)感光片(pian)(pian)，攝(she)影時將(jiang)鏡(jing)頭(tou)蓋(gai)(gai)(gai)掀開一(yi)剎那時間(jian)遂即蓋(gai)(gai)(gai)上(shang)。現在快(kuai)(kuai)門(men)(men)已進(jin)步到由機械或電子(zi)操縱開啟時間(jian)。快(kuai)(kuai)門(men)(men)的(de)(de)功能分述如下：

１、開(kai)啟(qi)時間(jian)的(de)長(chang)短來控制透(tou)入光量(liang)的(de)多(duo)(duo)少(shao)，假若(ruo)被攝體的(de)明(ming)度(du)和鏡頭的(de)光圈不變，快門(men)(men)開(kai)啟(qi)時間(jian)長(chang)，作用(yong)于(yu)軟片的(de)光量(liang)多(duo)(duo)，快門(men)(men)開(kai)啟(qi)時間(jian)短，作用(yong)于(yu)軟片的(de)光量(liang)少(shao)。快門(men)(men)開(kai)啟(qi)時間(jian)的(de)長(chang)短叫做快門(men)(men)速(su)(su)度(du)（Shutterspeed)。為便于(yu)調整曝(pu)光，鏡頭快門(men)(men)相機的(de)鏡頭上(shang)裝有快門(men)(men)速(su)(su)度(du)調整環(huan)，焦面快門(men)(men)相機（較普遍）的(de)機身上(shang)裝有快門(men)(men)速(su)(su)度(du)調整環(huan)。在快門(men)(men)速(su)(su)度(du)調整環(huan)上(shang)，將快門(men)(men)速(su)(su)度(du)分為若(ruo)干級。

２、配合(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)圈(quan)(quan)(quan)曝光(guang)(guang)(guang)(guang)：攝影曝光(guang)(guang)(guang)(guang)正確，才能產生(sheng)層(ceng)次豐富(fu)細節清晰的(de)(de)(de)照(zhao)片(pian)。曝光(guang)(guang)(guang)(guang)要(yao)(yao)正確，必(bi)須按照(zhao)軟(ruan)片(pian)速(su)度(du)與光(guang)(guang)(guang)(guang)圈(quan)(quan)(quan)強弱，將快門(men)速(su)度(du)和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)圈(quan)(quan)(quan)適當配合(he)。控制(zhi)鏡(jing)頭進光(guang)(guang)(guang)(guang)量，需要(yao)(yao)由(you)鏡(jing)頭的(de)(de)(de)所謂"孔(kong)徑(jing)光(guang)(guang)(guang)(guang)闌(lan)"來控制(zhi)。孔(kong)徑(jing)光(guang)(guang)(guang)(guang)闌(lan)都是(shi)位(wei)于(yu)鏡(jing)頭內(nei)部，通(tong)常由(you)多片(pian)可活(huo)動的(de)(de)(de)金屬葉(xie)片(pian)(稱為(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)闌(lan)葉(xie)片(pian))組成，可以使中間形成的(de)(de)(de)(近似(si))圓孔(kong)變(bian)大或(huo)者縮小，以達到控制(zhi)通(tong)過光(guang)(guang)(guang)(guang)量大小的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)。

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