Technical Articles
机器视觉中CCD工业相机镜头的选择
Date：2017-12-20
Source：三姆森科技
合适的镜头选择对于机器视觉能否发挥应有的作用是非常重要的。镜头的选择过程，是将镜头各项参数逐步明确化的过程。作为成像器件，镜头通常与光源、相机一起构成一个完整的图像采集系统，因此镜头的选择受到整个系统要求的制约。一般地可以按以下几个方面来进行分析考虑。
系统若想完全发挥其功能，镜头必须要能够满足要求才行。当为控制系统选择镜头的时候，机器视觉集成商应该考虑四个主要因素：可以检测物体类别和特性；景深或者焦距；加载和检测距离；运行环境。
分析这四个因素，可以针对具体应用确定合适的镜头选择。
1.波长、变焦与否
镜头的工作波长和是否需要变焦是比较容易先确定下来的，成像过程中如果需要改变放大的倍率，可以采用变焦镜头，否则采用定焦镜头。
关于镜头的工作波长，常见的是可见光波段，也有其他波段。是否需要另外采取滤光措施？单色光还是多色光？能否有效避开杂散光的影响？把这几个问题考虑清楚，综合衡量后再确定镜头的工作波长。
2.特殊要求优先考虑
结合实际的应用特点，可能会有特殊的要求，应该先予以明确下来。例如是否有测量功能，是否需要使用远心镜头，成像的景深是否很大等。景深往往不被重视，但是它却是任何成像系统都必须考虑的。
景深是指由探测器移动引起的可以接受的模糊范围。光学系统的性能取决于允许的图像模糊程度，模糊可能源于物体平面或者图像平面的位置漂移。景深效果（DOF）是指由于物体移动导致的模糊。DOF是完全在焦距范围内最大的物体深度，它也是保持理想对焦状态下物体允许的移动量（从最佳焦距前后移动）。当物体的放置位置比工作距离近或者远的时候，它就位于焦外了，这样解析度和对比度都会受到不好的影响。出于这个原因，DOF同指定的分辨率和对比度相配合。当景深一定的情况下，DOF可以通过缩小镜头孔径来变大，同时也需要光线增强。
在很多情况下，比如说管道检测，可以使用变焦镜头获得较大的景深。变焦镜头和缩放镜头很类似，应用在需要经常变换焦距的场合。这些镜头经常是电机驱动的，可以保证在对焦平面上平滑移动。使用这样的镜头，整个管道、每一个环节都可以扫描到，通过调整焦距来发现每个缺陷。然而，同缩放镜头不同，变焦镜头的工作距离也可以变化，可以根据需要进行重新定位。
3.工作距离、焦距
工作距离和焦距往往结合起来考虑。一般地，可以采用这个思路：先明确系统的分辨率，结合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离，进一步估算镜头的焦距。所以镜头的焦距是和镜头的工作距离、系统分辨率（及CCD像素尺寸）相关的。
4.像面大小和像质
所选镜头的像面大小要与相机感光面大小兼容，遵循“大的兼容小的”原则——相机光面不能超出镜头标示的像面尺寸——否则边缘视场的像质不保。
像质的要求主要关注MTF的畸变两项。在测量应用中，尤其应该重视畸变。
5.光圈和接口
镜头的光圈主要影响像面的亮度。但是现在的机器视觉系统中，最终的图像亮度是由很多因素共同决定：光圈、相机增益、积分时间、光源等。所以，为了获得必要的图像亮度有比较多的环节供调整。
镜头的接口指它与相机的连接接口，它们两者需匹配，不能直接匹配就需考虑转接。
6.成本和技术成熟度
如果以上因素考虑完之后有多项方案都能满足要求，则可以考虑成本和技术成熟度，进行权衡择优选取。
例如，要给硬币检测成像系统选配镜头，约束条件：相机CCD2/3in，像素尺寸4.65μm,C口。工作距离大于200mm，系统分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。
基本分析如下：
①与白色LED光源配合使用的，镜头应该是可见光波段。没有变焦要求，选择定焦镜头就可以了。
②用于工业检测，其中带有测量功能，所以，所选镜头的畸变要求小。
③工作距离和焦距。
成像的放大率PMAG=4.65/(0.05x100)=0.093;
焦距f'=LxM/(M+1)=200x0.093/1.093=17mm；
物距要求小于200mm，则选择的镜头要求焦距应该大于17mm。
④选择镜头的像面应该不小于CCD尺寸，即至少2/3in。
⑤镜头的接口要求是C口，能配合相机使用。光圈暂无要求。
从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的”轮廓“：焦距大于17mm，定焦，可见光波段，C口，至少能配合2/3inCCD使用，而且成像畸变要小。按照这些要求，可以进一步挑选，如果多款镜头都能符合这些要求，可以择优选用。
系统若想完全发挥其功能，镜头必须要能够满足要求才行。当为控制系统选择镜头的时候，机器视觉集成商应该考虑四个主要因素：可以检测物体类别和特性；景深或者焦距；加载和检测距离；运行环境。
分析这四个因素，可以针对具体应用确定合适的镜头选择。
1.波长、变焦与否
镜头的工作波长和是否需要变焦是比较容易先确定下来的，成像过程中如果需要改变放大的倍率，可以采用变焦镜头，否则采用定焦镜头。
关于镜头的工作波长，常见的是可见光波段，也有其他波段。是否需要另外采取滤光措施？单色光还是多色光？能否有效避开杂散光的影响？把这几个问题考虑清楚，综合衡量后再确定镜头的工作波长。
2.特殊要求优先考虑
结合实际的应用特点，可能会有特殊的要求，应该先予以明确下来。例如是否有测量功能，是否需要使用远心镜头，成像的景深是否很大等。景深往往不被重视，但是它却是任何成像系统都必须考虑的。
景深是指由探测器移动引起的可以接受的模糊范围。光学系统的性能取决于允许的图像模糊程度，模糊可能源于物体平面或者图像平面的位置漂移。景深效果（DOF）是指由于物体移动导致的模糊。DOF是完全在焦距范围内最大的物体深度，它也是保持理想对焦状态下物体允许的移动量（从最佳焦距前后移动）。当物体的放置位置比工作距离近或者远的时候，它就位于焦外了，这样解析度和对比度都会受到不好的影响。出于这个原因，DOF同指定的分辨率和对比度相配合。当景深一定的情况下，DOF可以通过缩小镜头孔径来变大，同时也需要光线增强。
在很多情况下，比如说管道检测，可以使用变焦镜头获得较大的景深。变焦镜头和缩放镜头很类似，应用在需要经常变换焦距的场合。这些镜头经常是电机驱动的，可以保证在对焦平面上平滑移动。使用这样的镜头，整个管道、每一个环节都可以扫描到，通过调整焦距来发现每个缺陷。然而，同缩放镜头不同，变焦镜头的工作距离也可以变化，可以根据需要进行重新定位。
3.工作距离、焦距
工作距离和焦距往往结合起来考虑。一般地，可以采用这个思路：先明确系统的分辨率，结合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离，进一步估算镜头的焦距。所以镜头的焦距是和镜头的工作距离、系统分辨率（及CCD像素尺寸）相关的。
4.像面大小和像质
所选镜头的像面大小要与相机感光面大小兼容，遵循“大的兼容小的”原则——相机光面不能超出镜头标示的像面尺寸——否则边缘视场的像质不保。
像质的要求主要关注MTF的畸变两项。在测量应用中，尤其应该重视畸变。
5.光圈和接口
镜头的光圈主要影响像面的亮度。但是现在的机器视觉系统中，最终的图像亮度是由很多因素共同决定：光圈、相机增益、积分时间、光源等。所以，为了获得必要的图像亮度有比较多的环节供调整。
镜头的接口指它与相机的连接接口，它们两者需匹配，不能直接匹配就需考虑转接。
6.成本和技术成熟度
如果以上因素考虑完之后有多项方案都能满足要求，则可以考虑成本和技术成熟度，进行权衡择优选取。
例如，要给硬币检测成像系统选配镜头，约束条件：相机CCD2/3in，像素尺寸4.65μm,C口。工作距离大于200mm，系统分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。
基本分析如下：
①与白色LED光源配合使用的，镜头应该是可见光波段。没有变焦要求，选择定焦镜头就可以了。
②用于工业检测，其中带有测量功能，所以，所选镜头的畸变要求小。
③工作距离和焦距。
成像的放大率PMAG=4.65/(0.05x100)=0.093;
焦距f'=LxM/(M+1)=200x0.093/1.093=17mm；
物距要求小于200mm，则选择的镜头要求焦距应该大于17mm。
④选择镜头的像面应该不小于CCD尺寸，即至少2/3in。
⑤镜头的接口要求是C口，能配合相机使用。光圈暂无要求。
从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的”轮廓“：焦距大于17mm，定焦，可见光波段，C口，至少能配合2/3inCCD使用，而且成像畸变要小。按照这些要求，可以进一步挑选，如果多款镜头都能符合这些要求，可以择优选用。
