标题在配置光学检测系统时如何选用镜头

论坛中开始有朋友问：应该用什么样的镜头？很高兴看到这类的问题，因为这让我感觉到问这些问题的朋友是真地在作项目----只有在作项目的过程中才会遇到这类实际问题。

其实，有关镜头部分如系列文章应该找一个从事光学专业的朋友来讲。由我在这里胡说八道，很有些不伦不类的味道。不过，一来只是讲一些入门的浅显的知识，自信还勉强凑合；二来说到底我是作机器视觉的。比光学专业的朋友更了解我们这一行的需要。还是那句老话：如有错误，还望方家指正。

先介绍一下有关镜头且与视觉系统有关的基本概念(这些概念大家在开发或使用系统时，会用得到)。如图所示：

1，成象面。成象面是入射光通过镜头后所成象的平面。这个面是一个圆形。

2，CCD芯片(或底片)。相机拍照的原理是一样的，无论家用相机还是CCD相机。都是由一个装置(CCD芯片或底片)来感光。大家在CCD相机的产品说明书中常看到：1/2",2/3",1/3"这是什么意思呢？这指的CCD芯片对角线长度，单位是英寸。一般上大家所使用的CCD相机，有1/2,2/3,1/3及1英寸4种大小。

小结1，成象面与镜头本身的设计及生产有关。大家一看就知道，成象自然是越大越好了。可是有些厂家的镜头由于设计或生产上达不到技术要求，所以成象面会较小。这就是为什么有些镜头不能支持1/2"或1"相机，而有些却可以。现在大家可以明白了，这是因为这些镜头的成象面小过相机的CCD芯片，所以不能用在这种相机上。因此，大家在选用镜头时，用注意的第一点，就是该镜头的成象面与你所用的CCD相机是否匹配。通常在镜头的规格说明书中都应该有这一项：适用于多大尺寸的CCD。不过许多国产镜头的规格说明书中却没有。这一点大家最好留意，不要买了不能用的镜头。其实硬要用也可以，只不过你会看到在你四方窗口中是一圆形的图象，圆形以外的地方都是黑色(呈日本太阳旗状)。

3，焦距。是镜头到成象面的距离。相信大家都知道什么50MM镜头，25MM镜头及35~70变焦镜头等。这些镜头名称里的数字就指的是镜头到成象面的距离，单位是MM。焦距，这个概念本身没有太多含义，但是它和其他的概念却有着直接关系。下面我们会一一解释。

4，视角。视角不用多说，就是视线的角度，也就是镜头能“看”多“宽”。

5，工作距离。指的是镜头的最下端到景物之间的距离。这也很容易理解，不必多说。不过有一点需要提醒大家的是，普通的镜头都可以看到无限远，也就是说是没有上限的。所以，一般上大家需要注意的是“最小工作距离”。在镜头上我们可以看到两个刻有刻度的调节圈，一个是调节光圈的；另一个是调焦的。在调焦的刻度圈上会清楚地标明此镜头的工作距离从最近到最远是多少到多少。

6，视野。视野是一个大家在论坛上常常听别人提到的概念。所指的是镜头所能“看”到的最大范围，也就是镜头所能够覆盖的有效工作区域。

7，景深。与视野相似，不同的只是景深指的纵深的范围。而视野是横向的范围。

小结2，以上几个概念是相互有关联的。其关系是：焦距越小；视角越大；最小工作距离越短；视野越大。其实这几个概念这间，是有计算公式可以相互换算的。不过那是搞光学的人的事情，和我们无关。以最常用的三种镜头(50MM，25MM，16MM)为例，大家只要简单地记住：50MM的镜头焦距自然是最大的，所以50MM镜头的视角就最小，而视野就最小，最小工作距离却是最远的；25MM的镜头焦距中间的，所以25MM镜头的视角居中，而视野也是中等，最小工作距离同样是中等；16MM的镜头焦距自然是最小的，所以16MM镜头的视角就最大，而视野也就最大，最小工作距离是最近的。知道了这些，大家可能还是一片迷茫。举个具体的例子。

真正作过系统应用的人都会有过这样的经验，系统所要安装的环境往往是已经确定的了。说白了就是，常常人家已经预先留下一个空间给你，用来安装你的视觉检测系统。而这个空间就这么大，不能再大(或不能再小)。那么首先系统的高度就与我们的最小工作距离有关了：人家只给你留下0.5M高度的空间，可是你非用最小工作距离是1M的50MM镜头，这当然就不行。所以现在你就可以大概算出(看看镜头上调焦圈上的刻度)应该用什么样的镜头可以放到这么大的空间中去。

小结3，还有几个相关的因素。一是镜头的畸变；二是镜头与光线强度的相互影响。
镜头的畸变是与镜头的焦距成反比的，仍以上述三种镜头为例：50MM镜头畸变是最小的；16MM镜头的畸变是最大的。与我们有什么关系呢？很简单，如果你的系统是用来测量的(如长度)，自然是畸变越小越好。因此就不宜用50MM焦距以下的镜头；如果你的系统只是用来认识字符，那么畸变大小与你就没什么关系，用什么镜头都可以。

光线与镜头又有什么关系呢？在灯源位置固定的情况下，光线的强度，与镜头的工作距离有直接关系。工作距离越远，光线强度就越弱(图象亮度也就越暗)。二者间的关系是几何级的，就是说工作距离增长一倍(由1变为2)，光线就会弱4倍。同时，工作距离越长(镜头距被测物越远)，所成图象受噪光的影响就越大。比如说，机器在放在室内运行的，假设你的系统的工作距离很远，而你的视觉系统上方又刚好就有一盏灯的话(其实这常常会发生)。那么，你就很危险了，因为那灯开还是没开，甚至此灯的电压稳不稳，都会直接影响你系统运行的结果。

结束前，我们来总结一下全篇：对于普通的镜头来说，应该如何选择镜头？
1，工作距离越近越好(当然，这要根据系统的安装环境而定)。
2，镜头的畸变越小越好(对于测量系统尤其重要)。
3，视野越大越好(能看多少看多少)。

在我的所作过的视觉系统中，抛开那些高精度的测量系统不谈。我只用过4种镜头，50MM及35MM是最常用的；75MM的镜头，偶尔用在工作距离很远的情况下；16MM的镜头偶尔用在工作距离很近的情况下。其它没了！ 

什么是镜头的畸变？这是光学范畴内的问题，在光学中自有它自己的标准定义。我没资格在这“开牙”，不过用通俗一点的话来讲就是，用相机拍照所成的图象会变形。举个极端一点的例子，我们都有用家里的普通相机拍照留念的经验。有一种镜头叫“广角镜头”更狠一点的干脆就叫“鱼眼镜头”，用这类镜头拍照片，你就会发现照片四边处的成象是弯曲的。这种现象就是由于“镜头的畸变”所造成的。说“鱼眼镜头”的例子极端，是因为“鱼眼镜头”是一种大畸变镜头。

是镜头就有畸变，区别只是畸变有大有小。而对于视觉检测系统来说，当然希望所用的镜头畸变越小越好。这是因为视觉系统进行检测时，都是在相机成象的图象上进行的。如果相机成象就“歪”了的话，系统检测所得出的结果也“正”不到哪去----这就有点上梁不正下梁歪的意思

视觉系统对于镜头畸变的矫正，有两种方法：即从硬件着手或是从软件着手。从硬件着手的方法很简单：用畸变很小的镜头就好了。这种镜头叫远心成象镜头(telecentric lens)，价格昂贵，是普通镜头价格的6，7倍以上。但所谓物有所值，这种镜头的畸变都在1%以下，有的可以到0.1%。所以绝大多数高精度的视觉测量系统，都用此类镜头；第二种方法是从软件下手。在作“相机标定”时，利用标定标准模块上的点阵来计算。具体的方法是：在完成了“相机标定”后，根据已知的测量得出的点阵中每个点的大小值，去分析点阵中处于外围的点的大小，与处于点阵内圈的点的大小的不同。通过对比便可得出一个比值，这个比就是镜头的畸变。有了外个比值，在作实际测量时就可以对畸变作出矫正。不过除非是为了省钱----省下买远心镜头的钱----很少有人用软件去矫正畸变，原因是计算太过复杂。