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在配置光學(xué)檢測系統(tǒng)時(shí)如何選用鏡頭
鏡頭基本原理及概念
論壇中開始有朋友問：應(yīng)該用什么樣的鏡頭？很高興看到這類的問題，因?yàn)檫@讓我感覺到問這些問題的朋友是真地在作項(xiàng)目----只有在作項(xiàng)目的過程中才會(huì)遇到這類實(shí)際問題。
其實(shí)，有關(guān)鏡頭部分如系列文章應(yīng)該找一個(gè)從事光學(xué)專業(yè)的朋友來講。由我在這里胡說八道，很有些不倫不類的味道。不過，一來只是講一些入門的淺顯的知識，自信還勉強(qiáng)湊合；二來說到底我是作機(jī)器視覺的。比光學(xué)專業(yè)的朋友更了解我們這一行的需要。還是那句老話：如有錯(cuò)誤，還望方家指正。
先介紹一下有關(guān)鏡頭且與視覺系統(tǒng)有關(guān)的基本概念（這些概念大家在開發(fā)或使用系統(tǒng)時(shí)，會(huì)用得到）。如圖所示：
1，成象面。成象面是入射光通過鏡頭后所成象的平面。這個(gè)面是一個(gè)圓形。
2，CCD芯片（或底片）。相機(jī)拍照的原理是一樣的，無論家用相機(jī)還是CCD相機(jī)。都是由一個(gè)裝置（CCD芯片或底片）來感光。大家在CCD相機(jī)的產(chǎn)品說明書中?？吹剑?/2",2/3",1/3"這是什么意思呢？這指的CCD芯片對角線長度，單位是英寸。一般上大家所使用的CCD相機(jī)，有1/2,2/3,1/3及1英寸4種大小。
小結(jié)1，成象面與鏡頭本身的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)有關(guān)。大家一看就知道，成象自然是越大越好了?？墒怯行S家的鏡頭由于設(shè)計(jì)或生產(chǎn)上達(dá)不到技術(shù)要求，所以成象面會(huì)較小。這就是為什么有些鏡頭不能支持1/2"或1"相機(jī)，而有些卻可以?，F(xiàn)在大家可以明白了，這是因?yàn)檫@些鏡頭的成象面小過相機(jī)的CCD芯片，所以不能用在這種相機(jī)上。因此，大家在選用鏡頭時(shí)，用注意的*點(diǎn)，就是該鏡頭的成象面與你所用的CCD相機(jī)是否匹配。通常在鏡頭的規(guī)格說明書中都應(yīng)該有這一項(xiàng)：適用于多大尺寸的CCD。不過許多國產(chǎn)鏡頭的規(guī)格說明書中卻沒有。這一點(diǎn)大家留意，不要買了不能用的鏡頭。其實(shí)硬要用也可以，只不過你會(huì)看到在你四方窗口中是一圓形的圖象，圓形以外的地方都是黑色（呈日本太陽旗狀）。
3，焦距。是鏡頭到成象面的距離。相信大家都知道什么50MM鏡頭，25MM鏡頭及35~70變焦鏡頭等。這些鏡頭名稱里的數(shù)字就指的是鏡頭到成象面的距離，單位是MM。焦距，這個(gè)概念本身沒有太多含義，但是它和其他的概念卻有著直接關(guān)系。下面我們會(huì)一一解釋。
4，視角。視角不用多說，就是視線的角度，也就是鏡頭能“看”多“寬”。
5，工作距離。指的是鏡頭的zui下端到景物之間的距離。這也很容易理解，不必多說。不過有一點(diǎn)需要提醒大家的是，普通的鏡頭都可以看到無限遠(yuǎn)，也就是說是沒有上限的。所以，一般上大家需要注意的是“zui小工作距離”。在鏡頭上我們可以看到兩個(gè)刻有刻度的調(diào)節(jié)圈，一個(gè)是調(diào)節(jié)光圈的；另一個(gè)是調(diào)焦的。在調(diào)焦的刻度圈上會(huì)清楚地標(biāo)明此鏡頭的工作距離從zui近到zui遠(yuǎn)是多少到多少。
6，視野。視野是一個(gè)大家在論壇上常常聽別人提到的概念。所指的是鏡頭所能“看”到的zui大范圍，也就是鏡頭所能夠覆蓋的有效工作區(qū)域。
7，景深。與視野相似，不同的只是景深指的縱深的范圍。而視野是橫向的范圍。
小結(jié)2，以上幾個(gè)概念是相互有關(guān)聯(lián)的。其關(guān)系是：焦距越小；視角越大；zui小工作距離越短；視野越大。其實(shí)這幾個(gè)概念這間，是有計(jì)算公式可以相互換算的。不過那是搞光學(xué)的人的事情，和我們無關(guān)。以zui常用的三種鏡頭（50MM，25MM，16MM）為例，大家只要簡單地記?。?0MM的鏡頭焦距自然是zui大的，所以50MM鏡頭的視角就zui小，而視野就zui小，zui小工作距離卻是zui遠(yuǎn)的；25MM的鏡頭焦距中間的，所以25MM鏡頭的視角居中，而視野也是中等，zui小工作距離同樣是中等；16MM的鏡頭焦距自然是zui小的，所以16MM鏡頭的視角就zui大，而視野也就zui大，zui小工作距離是zui近的。知道了這些，大家可能還是一片迷茫。舉個(gè)具體的例子。
真正作過系統(tǒng)應(yīng)用的人都會(huì)有過這樣的經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)所要安裝的環(huán)境往往是已經(jīng)確定的了。說白了就是，常常人家已經(jīng)預(yù)先留下一個(gè)空間給你，用來安裝你的視覺檢測系統(tǒng)。而這個(gè)空間就這么大，不能再大（或不能再?。?。那么首先系統(tǒng)的高度就與我們的zui小工作距離有關(guān)了：人家只給你留下0.5M高度的空間，可是你非用zui小工作距離是1M的50MM鏡頭，這當(dāng)然就不行。所以現(xiàn)在你就可以大概算出（看看鏡頭上調(diào)焦圈上的刻度）應(yīng)該用什么樣的鏡頭可以放到這么大的空間中去。
小結(jié)3，還有幾個(gè)相關(guān)的因素。一是鏡頭的畸變；二是鏡頭與光線強(qiáng)度的相互影響。
鏡頭的畸變是與鏡頭的焦距成反比的，仍以上述三種鏡頭為例：50MM鏡頭畸變是zui小的；16MM鏡頭的畸變是zui大的。與我們有什么關(guān)系呢？很簡單，如果你的系統(tǒng)是用來測量的（如長度），自然是畸變越小越好。因此就不宜用50MM焦距以下的鏡頭；如果你的系統(tǒng)只是用來認(rèn)識字符，那么畸變大小與你就沒什么關(guān)系，用什么鏡頭都可以。
光線與鏡頭又有什么關(guān)系呢？在燈源位置固定的情況下，光線的強(qiáng)度，與鏡頭的工作距離有直接關(guān)系。工作距離越遠(yuǎn)，光線強(qiáng)度就越弱（圖象亮度也就越暗）。二者間的關(guān)系是幾何級的，就是說工作距離增長一倍（由1變?yōu)?），光線就會(huì)弱4倍。同時(shí)，工作距離越長（鏡頭距被測物越遠(yuǎn)），所成圖象受噪光的影響就越大。比如說，機(jī)器在放在室內(nèi)運(yùn)行的，假設(shè)你的系統(tǒng)的工作距離很遠(yuǎn)，而你的視覺系統(tǒng)上方又剛好就有一盞燈的話（其實(shí)這常常會(huì)發(fā)生）。那么，你就很危險(xiǎn)了，因?yàn)槟菬糸_還是沒開，甚至此燈的電壓穩(wěn)不穩(wěn)，都會(huì)直接影響你系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果。
結(jié)束前，我們來總結(jié)一下全篇：對于普通的鏡頭來說，應(yīng)該如何選擇鏡頭？
1，工作距離越近越好（當(dāng)然，這要根據(jù)系統(tǒng)的安裝環(huán)境而定）。
2，鏡頭的畸變越小越好（對于測量系統(tǒng)尤其重要）。
3，視野越大越好（能看多少看多少）。
在我的所作過的視覺系統(tǒng)中，拋開那些高精度的測量系統(tǒng)不談。我只用過4種鏡頭，50MM及35MM是zui常用的；75MM的鏡頭，偶爾用在工作距離很遠(yuǎn)的情況下；16MM的鏡頭偶爾用在工作距離很近的情況下。其它沒了！
什么是鏡頭的畸變？這是光學(xué)范疇內(nèi)的問題，在光學(xué)中自有它自己的標(biāo)準(zhǔn)定義。我沒資格在這“開牙”，不過用通俗一點(diǎn)的話來講就是，用相機(jī)拍照所成的圖象會(huì)變形。舉個(gè)一點(diǎn)的例子，我們都有用家里的普通相機(jī)拍照留念的經(jīng)驗(yàn)。有一種鏡頭叫“廣角鏡頭”更狠一點(diǎn)的干脆就叫“魚眼鏡頭”，用這類鏡頭拍照片，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)照片四邊處的成象是彎曲的。這種現(xiàn)象就是由于“鏡頭的畸變”所造成的。說“魚眼鏡頭”的例子，是因?yàn)?ldquo;魚眼鏡頭”是一種大畸變鏡頭。
是鏡頭就有畸變，區(qū)別只是畸變有大有小。而對于視覺檢測系統(tǒng)來說，當(dāng)然希望所用的鏡頭畸變越小越好。這是因?yàn)橐曈X系統(tǒng)進(jìn)行檢測時(shí)，都是在相機(jī)成象的圖象上進(jìn)行的。如果相機(jī)成象就“歪”了的話，系統(tǒng)檢測所得出的結(jié)果也“正”不到哪去----這就有點(diǎn)上梁不正下梁歪的意思
視覺系統(tǒng)對于鏡頭畸變的矯正，有兩種方法：即從硬件著手或是從軟件著手。從硬件著手的方法很簡單：用畸變很小的鏡頭就好了。這種鏡頭叫遠(yuǎn)心成象鏡頭（ecentric lens），價(jià)格昂貴，是普通鏡頭價(jià)格的6，7倍以上。但所謂物有所值，這種鏡頭的畸變都在1%以下，有的可以到0.1%。所以絕大多數(shù)高精度的視覺測量系統(tǒng)，都用此類鏡頭；第二種方法是從軟件下手。在作“相機(jī)標(biāo)定”時(shí)，利用標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)模塊上的點(diǎn)陣來計(jì)算。具體的方法是：在完成了“相機(jī)標(biāo)定”后，根據(jù)已知的測量得出的點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)的大小值，去分析點(diǎn)陣中處于外圍的點(diǎn)的大小，與處于點(diǎn)陣內(nèi)圈的點(diǎn)的大小的不同。通過對比便可得出一個(gè)比值，這個(gè)比就是鏡頭的畸變。有了外個(gè)比值，在作實(shí)際測量時(shí)就可以對畸變作出矯正。不過除非是為了省錢----省下買遠(yuǎn)心鏡頭的錢----很少有人用軟件去矯正畸變，原因是計(jì)算太過復(fù)雜。