视觉传感器-硬件篇：镜头

1. 镜头选择基础

keyence

光学镜头，通过一系列凹凸透镜，实现对图像物理上的处理，直接影响成像效果，并决定了图像质量的优劣。

1.1. 拍摄对视觉系统造成的影响

只有上半部分对焦的模糊图像
杯体从上到下均匀对焦的图像

无论所用的控制器性能多强，都无法检测出左图中的微小污点。如果具备正确的知识，即便是杯体这种上下存在高度差的工件，也可拍摄出右图这种全范围对焦的优质图像。

对于视觉系统，拍摄是最重要的环节。要实施高精度的稳定检测，下面3点最为重要。

将目标物拍摄得较大
拍摄对焦的图像
拍摄明亮清晰的图像

1.2. 光学镜头分类

按焦距
- 短焦镜头
- 中焦镜头
- 长焦镜头
从视场（视野大小，被成像区域）大小分
- 广角
- 标准
- 远摄镜头
结构上分
- 固定光圈定焦镜头
- 手动光圈定焦镜头
- 自动光圈定焦镜头
- 手动变焦镜头
- 自动变焦镜头
- 自动光圈电动变焦镜头
- 电动三可变（光圈、焦距、聚焦均可变）镜头

1.3. 镜头的结构

照相机的镜头由多个镜片和光圈、调焦装置构成。

根据监视画面进行光圈调整和调焦，可以得到“明亮、清晰”的图像。

选择镜头时，视野、焦距、焦点、失真等都是需要考虑的因素。

由单个光学元件构成的镜头称为“单镜头”；由多个光学元件构成的镜头称为“复合镜头”。自 1839 年首架使用达盖尔银版照相法的卤化银照相机发明以来，复合镜头的技术发生了翻天覆地的变化，这进一步促进了新型镜头的发展。其中的一些镜头类型包括对称放置两片相连的弯月形透镜的戴维森镜头、缩短所需照像时间的匹兹瓦镜头、在匹兹瓦镜头基础之上发展出的带有三片可分离透镜的三片型镜头，以及此外的蔡司镜头和松纳镜头。

变焦镜头于 20 世纪问世。变焦镜头可以改变单个镜头的焦距，它的出现标志着高性能镜头发展史中的一次重大突破。通过使用标准焦距、广角焦距和摄远焦距，以及高放大倍率，这种镜头可以满足各种视野范围上的要求。之后，随着放大倍率的进一步提高、重量的进一步减轻以及尺寸的进一步缩小，多种不同类型的衍生镜头纷纷问世。镜头领域也进入了系统化的时期。

1.3.1. CCTV镜头

主要用在闭路电视（Closed Circuit TV）中，例如 FA（工业自动化）领域的检测和防盗、防灾领域的监控等用途。

由于镜片的数量较少，结构比较简单，因此体积较小并且成本较低。一般来说，其特征为无论焦物距为多少，都可以进行均衡的象差校正。

1.3.2. 浮动结构

所谓浮动结构，即指将多个镜头的前组和后组分别（独立）进行移动的功能。由此，可以在从*距离到无限远的范围内获得高清晰度和高对比度。

其结构为调整焦点时如果镜头的前组移动，后组也将移动到最合适的位置上，从而使得歪斜校正可以实现最优化。在*距离到无限远的范围内，通过始终将镜头组的位置关系保持在最佳状态，从而实现了高性能。

镜头结构的解说图

1.3.3. 非球面镜头

通过采用非球面形状的非球面镜头，可以抑制像差，从而获得更加清晰的图像。

1.3.4. 液态透镜

有人可能会产生这样的疑问：“人类历史中最好的照相机镜头是什么呢？” 答案是“人眼（晶状体）”。晶状体可以自由调整其厚度来达到最合适的焦距。

事实上，目前仍在开发中的最先进的透镜便采用了晶状体的原理，它被称为液态透镜。这种透镜由两种具有不同传导性、绝缘性和折射率的液体构成，它可以借由表面张力效应调整透镜的厚度和形状，进而自由地改变焦距。由于它既不需要聚焦结构，也不需要驱动装置，所以人们对其在从家用电子设备、医疗设备到安全领域等各大行业中的一系列应用抱有很大的期望。

1.3.5. 远心镜头

wechat: 为什么要选用远心镜头？

远心是几何光学里表述的一种光路形态，我们认为光学镜头是由一组光学镜片通过一定间隔的同轴空间排列所组成，它本身的作用是改变整形进入它这个系统内部的光线，让一定的光线通过它并以一定的形态输出，进入光线的空间我们称之为物方，输出光线的空间我们称之为像方。如下图：

物方聚焦清晰的面我们叫物面，与之对应的像方的面是像面（像面一般是感光芯片的位置）。物面上每个点发出的光线有一部分可以通过镜头汇聚到像面上，这一部分光线中通过镜头孔径光阑中心的那条光线我们称之为主光线，主光线在镜头光轴上交点的位置是镜头入瞳的位置，当主光线都几乎*行与镜头光轴时，也就是说这些主光线交点位于无穷远的位置时，入瞳的位置也就位于无穷远，在几何光学里我们把这类镜头叫做物方远心镜头，与之相对应在像方发生同样的光路的就是像方远心镜头，当一个镜头既是像方远心又是物方远心时我们称之为物像双侧远心，就是双远心。这就是物方远心镜头（单远心镜头）、像方远心镜头、双远心镜头的几何光学解释。

由几何光学的知识我们知道：物面上主光线和光轴的角度决定了镜头的视场角，边缘光线和主光线的角度决定了光圈。所以当主光线都*乎于*行光轴的时候，视场角就几乎为零（绝对*行的情况是不存在的）。视场角几乎为零也就意味着当物面距离镜头的直线距离发生变化时，镜头的光学倍率几乎不发生变化，就是说镜头在工作的时候几乎恒定的光学倍率，它不会随着物距的偏移而改变，同样，在镜头景深范围内不同对焦物面的成像也会遵循这个规律。这样的最大意义就是使用物方远心或双远心镜头成像时，物和像有着固定的比例关系。它的价值就在于计算物面上的尺寸信息时，可以由稳定准确的计算关系，有了精度保证。这就是远心镜头在机器视觉领域应用最大的价值。

除了可以准确对应物像比例关系以外，远心镜头还有哪些独特的优势呢？我们知道既然要保证准确的物像关系那镜头里有一个参数就必须要控制，那就是光学畸变。光学畸变属于镜头光学像差里的一种，它主要是表述了在同一个物面内不同视场区域内光学倍率的偏差。前面我们提到的是物面的变化造成的光学倍率的偏差，那有个理想前提就是在同一个物面下光学倍率是恒定的，其实任何镜头都会有像差存在，只能控制不能消除，因此畸变是不可消除的。畸变的存在会影响测量精度，开发远心镜头本身就是为了保证测量精度，因此畸变会被光学工程师重点关注，在设计时会尽量的控制降低它。一般都会控制在0.09%以内。

因为我们知道远心镜头主光线的轨迹规律，我们可以预知远心镜头的镜片口径会随着光学倍率变小而变大，每一款远心镜头的视野都是有限大小，这样的话我们在设计的时候可以针对更多更准确的物面光线进行更准确的追迹分析，更好的控制成像的锐度和分辨率，相比较其他镜头在不同物距下成像有着不可控的像差来说，远心镜头的像差几乎是可控的。理论层面上能把镜头的光学性能优化到最佳。

1.4. 镜头的焦距及视野的计算方法

焦距是镜头的规格参数之一。以基恩士FA镜头为例，焦距一般是 8 mm、16 mm、25 mm 或 50 mm。

根据拍摄时所需要的视野及焦距，可以计算出焦点对准的位置（WD，即工作距离）。

WD 与视野的大小由镜头的焦距及 CCD 尺寸决定。在不需要*摄环的最*距离以上时，可以根据下列公式进行计算。

WD / FOA = 焦距 / Sensor尺寸

例1 ：镜头焦距 16mm、CCD 尺寸 3.6mm 时，为了得到 45mm 的视野，WD 应为 200mm

1.5. 增加景深（对焦时的高度范围）、得到清晰画面的方法

从左到右就是从浅景深到大景深，浅景深看得清楚的范围小，深景深看得清楚的范围大。

在摄影时，我们为了突出主体，常常选用浅景深，以实现背景虚化的效果。

但以清晰取图为目标，往往希望景深越大越好。

镜头焦距越小，景深越大。

例如，在同等光圈下，300mm 的景深要比 125mm 的景深要浅。
光圈越小（数值越大，例如f16的光圈比f11的光圈小），景深越大。

对于同一只镜头而言，光圈越小，亮度越大，越容易聚焦。

小光圈（左）与大光圈（右）对比:
物距（与拍摄对象距离）越远，景深越大。

例如，你如果拍摄一座山，那么你的光圈和焦距值几乎对景深不产生任何影响。

注意: 使用延伸环或微距镜头时，景深会变小。

此外，前景深小于后后景深，也就是说，精确对焦之后，对焦点前面只有很短一点距离内的景物能清晰成像，而对焦点后面很长一段距离内的景物，都是清晰的。

1.6. 更多的参数

1.6.1. 弥散圆

在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。

现实当中，观赏拍摄的影象是以某种方式（比如投影、放大成照片等等）来观察的，人的肉眼所感受到的影象与放大倍率、投影距离及观看距离有很大的关系，如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定范围内实际影象产生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆。

1.6.2. 景深

在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫焦深，其对应在被摄主体（对焦点）前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。

景深随镜头的焦距、光圈值、拍摄距离而变化。对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小（光圈值越大），也就是镜片的直径越小，景深越大，和镜头的通光量无关。

【通俗解释】

我们拿 CCD 作为图像接收元件来举例说明其原因。是否模糊，我们只要用 CCD 的 1个像素的大小（像素直径）来考虑，就比较容易了解。

图 1 表示在光学理论上对焦最准的状态。在这一理想状态下，通过镜头折射的光的顶点正好落在 CCD 元件上。

那么，图 2、3 情况又如何呢？

光的顶点的位置与 CCD 的位置虽然有所偏移，并没有与邻*的 CCD 重叠。

实际上，三张图片全部的焦点都对焦成功了。

在 CCD 的 1 个像素的范围内即使焦点的大小发生变动，也不会反映到（看不出区别）通过电子信号输出的图像中。因此，我们将在规定范围内焦点大小收缩 WD 的变化范围称为景深。

也就是说，镜头、光学倍率相同时，单个像素大小较大的 CCD 容纳的范围更广，因此景深更深。

【景深根据光圈和焦点距离发生变化的原因】

无论哪个镜头，调小光圈则景深变深，这是因为可以在保持 S1、S2 的值不变前提下将光圈的角度调小，由此可以将焦点的大小调小，使得对焦的范围更广。

1.7. 24 万像素 CCD 与 200 万像素 CCD 的比较

下图所示是采用本公司生产的 24 万像素照相机和 200 万像素照相机拍摄同一画面后，再经电脑放大后的图像。可以看到，使用 200 万像素照相机拍摄的图像更利于读取文字。这意味着成像质量可以直接影响视觉系统的精度。因此，应该根据使用目的，选择适宜的照相机。

如下图，200万像素的图像在放大后，其边缘及细节仍然清晰：

1.8. 镜头的扭曲（失真）

镜头的失真度是拍摄图像的中央部分与周围部分的变化比率。由于存在像差，拍摄图像的周边部分会发生某种程度的扭曲现象。

失真分两种：

桶形失真
枕形失真

表示失真度的数值（绝对值）越小，则镜头的精度越高。

在测量尺寸时，应使用失真度小的镜头。一般说来，长焦距镜头的失真度会相对小一些。

1.9. 透镜材料的变化：从玻璃到塑料

早期的透镜和水晶都是不易拥有的奢侈品。随着 12 世纪玻璃制造技术的改进，玻璃透镜的产量开始增加，之后高透过率的光学玻璃透镜于 19 世纪被发明了出来。光学透镜在 20 世纪扮演了重要的角色，如今光学透镜的种类已超出 200 种。光学透镜可大致分为两大类：低折射率、含碱石灰的冕玻璃类和高折射率、含铅的火石玻璃类。光学塑料透镜于 20 世纪初问世，早期型号的透光率和折射率都很低。自 20 世纪 40 年代研发出热固性塑料之后，光学塑料透镜开始迅速普及。正因为有了这一新发展，热塑性透镜不仅具备了可与光学玻璃相媲美的透光率，还减轻了一半的重量。因为塑料透镜易于成型、不容易破碎且成本低廉，所以它对于隐形眼镜和即时成像照相机的发展也是功不可没。最*，塑料透镜还被运用到了眼镜和手机摄像头中。其他的透镜材料包括石英、萤石、透光瓷、透红外岩盐、硅酮和锗。

	折射率	色散	材料特性
冕玻璃	小	小	硬且轻
火石玻璃	大	大	软且重

2. 照明选择基础

2.1. 照明器材的典型形状（LED）

背光方式: CA-DS
圆顶方式: CA-DD
低角度方式: CA-DL
直接环照方式: CA-DR
同轴入射方式: CA-DX
棒型方式: CA-DB

2.2. 选择照明的三个步骤

选择照明的方式（镜面反射光、漫反射光、透射光等）
- 观察检测部位的特点（损伤、形状、有无等）
- 观察表面（*面、曲面、是否有凹凸不*等）加以决定
选择照明的方法，选择光源的形状
- 环形光
- 低角度光
- 同轴光
- 碗光
选择照明的颜色（波长）

根据工件和背景的材料、颜色等加以决定。

2.3. 第一步（镜面反射、漫反射与透射）

LED 照明种类繁多，大体上可以分为如下三种。

镜面反射型：镜头接收的光线是来自拍摄对象的镜面反射光线。

镜面反射图像例（金属表面的刻印缺印检查，突出了刻印边缘）：

场景：需要强调*坦的金属表面与凹凸不*的刻印部分之间的反差。由于金属表面容易反射光线，因此最好是利用镜面反射光来强调表面与刻印之间的反差。
漫反射型：避开来自拍摄对象的镜面反射光，而接收整体、均一的光线。

漫反射图像例（透明胶带内部的晶片刻印检查）：

场景：需要防止产生光晕，以强调晶片表面与刻印字符之间的反差。由于透明带不会产生镜面反射，因此可以选择斜向照射的漫反射光。
透射型：接收来自拍摄对象背景的光线。是一种检测轮廓的照明方式。

透射图像例（无纺布异物检查）：

场景：异物与工件色调相似，从表面上看难以判别，因此需要强调异物与工件表面之间的反差。

虽然利用反射光难以观察到异物，但是只要异物的厚度、颜色与工件之间存在差异，则可以通过采用来自工件背面的透射光使异物的黑色阴影显现出来。

通过背景投射照明（背光灯），利用透过光检测轮廓的方式：