镜头基本原理及概念

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*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zui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“zui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zui近到zui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zui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；zui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zui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zui大的，所以50MM镜头的视角就zui小，而视野就zui小，zui小工作距离却是zui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，zui小工作距离同样是中等；16MM的镜头焦距自然是zui小的，所以16MM镜头的视角就zui大，而视野也就zui大，zui小工作距离是zui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zui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zui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zui小的；16MM镜头的畸变是zui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zui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，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（ecentric 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。