视觉测量技术：了解光学镜头的基本知识

2023-11-24 理论教育版权反馈

【摘要】：1）光学镜头的成像尺寸应与摄像机图像传感器尺寸一致，接口类型互相匹配。光学镜头与CCD配合，应能够分辨测量所需的细节，保持测量的精度。4）对于光学镜头的视野和景深，要保持在工作距离内目标物能够清晰而以较大画幅呈现在图像当中。5）对于光学镜头的光圈和快门，应使成像保持清晰。

摄像机的光学镜头是图像传感器之前的光学成像装置，能够控制图像传感器的图像采集范围，使得场景中的光线能够集中进入较小的图像传感器表面；能够限制光通量，避免光线直接照射传感器造成信号饱和而无法分辨图像。通过调节镜头的焦距、光圈使摄像机能够改变图像的视角和亮度。

1.光学镜头的性能指标

光学镜头与视觉测量有关的主要指标包括放大倍率、视场（视角）、分辨率、景深等因素，光学系统成像示意图如图2.31所示。

（1）视场

整个系统能够观测到的物体的物理尺寸范围。也就是CCD芯片上所成的最大图像对应的物体的大小。如图2.32所示，视场大小与工作距离、焦距、CCD芯片有关。D表示工作距离（物距），f为焦距。一般来说，焦距越大，视场越小，图像的细节越清晰；焦距越小，视场越大，图像的细节越模糊。镜头按焦距可分为标准镜头、广角镜头、长焦镜头或远摄镜头、变焦镜头等。

标准镜头：视角30°左右，焦距定位为12mm，也可称中焦距镜头。

广角镜头：视角90°左右，焦距小于几毫米，可以提供宽广的视场，也可称短焦镜头。

远摄镜头：视角20°以内，焦距为几米甚至几十米，可以拍摄远距离的物像，亦称长焦镜头。

图2.31 成像示意图

变焦镜头：介于标准镜头和广角镜头之间，焦距连续可变，既可以拍摄远距离物体，又可提供宽广视场。

（2）放大倍率

物体的像的大小与物体物理尺寸的比值，可以表示为

式中，FOV为水平视场；L为CCD芯片长边尺寸。如图2.33所示，放大倍数与成像效果密切相关。

图2.32 光学镜头示意图

图2.33 镜头放大倍数与成像的关系示意图

（3）分辨率

像空间分辨率为CCD分辨率，即两个像素的物理尺寸；物空间的分辨率可以理解成能够测量的最小物体尺寸，有

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式中，P为像元大小（μm）；R为CCD分辨率（μm）；L为CCD芯片成像部分长边（μm）；FOV为水平视场（mm）；M为系统放大率；R_obj为物体的分辨率（μm）。

分辨率对成像的影响如图2.34所示。

图2.34 分辨率对成像的影响

（4）景深

CCD能清晰成像的距离范围，即如果希望得到清晰的像，物距不能取任意值，而是有一定的范围，超出这个范围，分辨率就会降低。景深与光圈、焦距有直接关系，景深随着光圈和焦距的减小而增加。

（5）与测量有关的其他因素

1）调焦环光学镜头一般有一个调节聚焦环，用于微调镜头和传感器之间的距离，使得外部光线能够准确聚焦到传感器成像平面，从而在传感器上获得清晰的图像信号。某些一体式摄像机具有自动调焦功能，能够通过对所获图像的清晰度的分析来自动调节聚焦。

2）快门速度决定了感光器件的曝光时间，快门速度与光圈大小决定了感光器件的曝光量。

3）光圈通过改变光圈孔径的大小，灵活控制进入传感器的光通量，从而改变图像的亮度和对比度。镜头有手动光圈和自动光圈，配合摄像机使用，手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合。当亮度变化时，自动光圈作自动调整，适用于亮度变化的场合。

4）摄像机镜头的规格摄像机镜头的规格应视摄像机的CCD尺寸而定，两者应相互对应。如摄像机的CCD靶面为1/2in^[1]时，镜头应选1/2in，1/3in对1/3in，1/4in对1/4in。

5）镜头与摄像机的安装接口 ①所有摄像机镜头接口均是螺纹口。②镜头安装有两种工业标准，C安装座和CS安装座。C安装座从镜头安装基准面到焦点的距离为17.526mm。CS安装座即特种C安装，镜头基准面到焦点的距离是12.5mm，即将摄像机前部的垫圈取下再安装镜头。如果要将一个C安装座镜头安装到一个CS安装座摄像机上时，需要使用镜头转换器。

2.光学系统的选择

光学镜头是视觉测量系统的关键设备，直接影响到摄像机的整机指标。根据光学系统的性能指标，光学系统的选择要根据以下指标综合考虑。

1）光学镜头的成像尺寸应与摄像机图像传感器尺寸一致，接口类型互相匹配。

2）要确保光学镜头具有足够的分辨率，摄像机传感器尺寸越小，对镜头的分辨率要求越高。光学镜头与CCD配合，应能够分辨测量所需的细节，保持测量的精度。

3）对定焦镜头和变焦镜头来讲，同一档次的定焦镜头的像差肯定比变焦镜头的小。这是因为变焦镜头必须考虑折中方案，使得各种不同焦距下的成像质量都相对较好，不允许出现在变焦范围内某个焦距的成像很差的情况。因此，图像测量应用系统中，根据被测目标的状态应优先选用定焦镜头。

4）对于光学镜头的视野和景深，要保持在工作距离内目标物能够清晰而以较大画幅呈现在图像当中。

5）对于光学镜头的光圈和快门，应使成像保持清晰。根据被测环境的光线变化程度选择使用手动光圈还是自动光圈。

6）考虑畸变误差，选择畸变差满足测量要求的镜头。

在图像测量中，常选用物方远心镜头，其景深大、焦距固定、畸变小，可获得比较高的检测精度。