鏡頭

相機鏡頭屬于一種光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)是指由透鏡、反射鏡、棱鏡和光闌（光圈）等多種光學(xué)元件按一定的次序組合的系統(tǒng)。

焦距

焦距f，像距v，物距u的關(guān)系為高斯光學(xué)公式：

$$1/u+1/v=1/f$$

通過上面示意圖，也可以得到焦距f，像距v，物距u的關(guān)系，即高斯光學(xué)公式，在現(xiàn)實情況中，一般物距是遠小于像距，即鏡頭到感光元件的距離，所以一般情況下
$$1/v=1/f$$
所以可以說焦距與相距相等$v=f$
在計算焦距時候，可以近似計算$f=靶面尺寸?u/物體尺寸$

凸透鏡焦點不止一個

理想的鏡頭焦點如上所示，但是現(xiàn)實中的光線不會匯聚到一點，越靠近中軸的光束聚焦的越遠，這種光學(xué)誤差叫球差

相機鏡頭由多個鏡片組成

鏡頭中的焦距參數(shù)可以認為鏡頭中心到相機靶面的距離，即像距

對焦和變焦

對焦：物體反射的光線有很多不同的方向，在不同的物距下，光線在像端匯聚的點位不同。距離不合適時，成像為彌散圓。調(diào)整鏡片組與傳感器平面之間的距離使被檢測物體在CMOS上成像更清晰。

變焦：調(diào)整幾個鏡片的相對位置，從而改變鏡片組的焦距，進而改變圖像的視場角。焦距越長視角越窄。

鏡頭光圈

通過收縮與擴大，控制入射光的強度，過濾入射光線角度

光圈的位置

常規(guī)的鏡頭光圈位于鏡頭的中央，如圖為等效的位置模擬圖。

遠心鏡頭光圈位于鏡頭焦點位置（接收平行光#pic_center）

光圈系數(shù)F

$$F=f/D$$
光圈系數(shù)用于表示光圈的大小，它等于鏡頭焦距$f$和通光孔徑$D$之比。
光通量與F值的平方成反比關(guān)系，F值越小，光通量越大。
F值的規(guī)律：后一個值是前一個值的$\sqrt{2}$倍，光圈調(diào)大一檔，光量減少2倍。
$$S=\pi (D/2{)}^2$$
光圈常用值為1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等幾個等級。

鏡頭的景深

小景深：只有比較窄的距離范圍內(nèi)的物體清晰成像，距離鏡頭稍近和稍遠的物體都比較模糊

大景深：廣泛的距離范圍內(nèi)的物體都能清晰成像，距離鏡頭較近和較遠的物體也能成像清晰。

景深在光路中的幾何意義

如圖所示，如果感光元件沒有在相機的焦點上，導(dǎo)致光斑的出現(xiàn)，但是如果光斑的大小小于像元的大小，成像依舊清晰，這也就是焦深和景深（焦平面兩側(cè)）存在的原因。圍繞景深，有以下關(guān)系。

1）景深近似跟光圈系數(shù)F成正比關(guān)系
$F=f/D$，F越大、光圈越小，，即光圈越小，景深越大
2）景深近似和就叫據(jù)$f$的平方成反比關(guān)系
焦距對景深的影響大于光圈
焦距越大，景深越小
用長焦鏡頭，景深小，更容易獲得背景虛化，但視場小
用短焦鏡頭，景深大，視場角大
3）景深近似和拍攝距離L的平方成正比關(guān)系
拍攝距離對景深的影響要大于光圈
拍攝距離越遠，景深越大

靶面上允許的彌散圓直徑不變，光圈直徑變小，光線角度就被收窄，成像在彌散圓允許直徑內(nèi)的距離就被拉長。

遠心鏡頭

遠心鏡頭的主要作用是消除透視：遠心鏡頭在焦點放置光圈，限制非平行入射光線成像，達到消除透視的效果（近大遠小)。
直觀的感受透視：

j近處的車輛比遠處的車輛成像要大，遠處的車道收縮變窄。

近處的車輛與遠處的車輛成像尺寸無明顯差異，近處的車道與遠處的車道寬度差異不明顯。


左：花鍵底部輪廓直徑收縮變小
右：花鍵底部和頂部的輪廓保持一致

常規(guī)鏡頭：常規(guī)鏡頭成像的主光線為物體點與鏡頭光心的交點，所有光線會聚于光心
最佳對焦平面：平面上的點在感光芯片上成為一個點；
虛焦物面：平面上的點，最頂部角度的入射光線與最底部角度的入射光線經(jīng)過鏡頭后會聚在感光芯片前方，在感光芯片上的像為一個彌散圓；
虛焦物面的主光線為點與光心O的連線，主光線與感光芯片的交點為彌散圓中心點，計算尺寸時候以彌散圓中心為準，呈現(xiàn)近大遠小的特點

遠心鏡頭：遠心鏡頭的主光線全部平行于主光軸，主光線會聚于物方無限遠處遠離光心，所以叫遠心鏡頭。
通過焦點位置放置光圈，可限制入射光線的角度，進而限制彌散圓的直徑
此時測試虛焦物面的主光線為平行光

光圈在物方的成像術(shù)語為入瞳
根據(jù)凸透鏡成像規(guī)律：光圈在鏡頭1倍焦距的位置，光圈的入射光線禁錮于哦鏡頭到達物方，全部成平行光射出，光圈在物方的成像無窮大。

遠心鏡頭的種類

1、物方遠心：在一定景深范圍內(nèi)即使物距發(fā)生變化，物體成像的尺寸也不會發(fā)生變化。這種類型在同業(yè)檢測領(lǐng)域應(yīng)用較多。
2、像方遠心：即使感光芯片于鏡頭的距離發(fā)生變化，物體成像的尺寸也不會發(fā)生變化，但物距會影響成像尺寸，這種類型的鏡頭在工業(yè)檢測中不起作用。
3、雙遠心：物體和像方的遠近都不會影響成像的尺寸，在機器視覺檢測領(lǐng)域經(jīng)常使用，缺點是成本高，有點像望遠鏡。

遠心鏡頭特性

1、無視場角，消除透視，放大倍率恒定。
2、低畸變。
3、只有平行光成像。

應(yīng)用場景

1、物體厚度較大，需要檢測不止一個平面時，如包裝盒。
2、物體擺放位置不一定，可能跟鏡頭成一定角度。
3、物體在被檢測過程中上下跳動。
4、物體帶孔徑或者三維立體物體
5、但需要超高檢測精度時候，如1繆米。
6、當需要檢測的缺陷只在同一方向平行照明才能檢測到時。

鏡頭的分辨率

鏡頭分辨率：單位毫米內(nèi)能夠分開的黑白相間的條紋對數(shù)
單個黑色或者白色的條紋的尺寸為d，黑白條紋線對的寬度為2d，則線對數(shù)量為1/2d，鏡頭的分辨率為1/2d lp/mm（線對/毫米）

鏡頭反差

鏡頭反差也可以叫做鏡頭對比度，計算方法如下：
反差=（照度的最大值-照度的最小值）/（照度的最大值+照度的最小值）
反差的數(shù)值總是《=1，越接近于1防擦好越好

鏡頭的MTF曲線

鏡頭的靶面尺寸

靶面尺寸指物體經(jīng)過鏡頭成像在感光芯片上的最大尺寸

由于歷史遺留問題，數(shù)碼相機中的1英寸≠25.4mm，而是16mm.

鏡頭的幾何相差

1.影響成像質(zhì)量質(zhì)量：球差、象散、場曲、慧差
2.影響成像形狀：枕形畸變（長焦鏡頭），桶形畸變（短焦鏡頭）可通過標定矯正畸變。

1.光圈系數(shù)越大，光圈越小。
2.變焦之后調(diào)節(jié)對焦環(huán)，使光線準確的聚焦在感光芯片上。

相機鏡頭接口

螺紋接口

螺紋接口：C、CS、M12、M42、M58

接口比較深

接口比較淺
機器視覺領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的接口，C接口的可以加上轉(zhuǎn)接環(huán)到CS接口上，但是CS的無法接到C接口上。

由于M12的直徑比較小，因此這個接口只有在微小的工業(yè)相機中使用，例如無人機上的相機。

接直徑比較大，用于大靶面相機或者線掃相機上。

卡口

卡口：佳能EF接口、尼康F接口

工業(yè)相機中有用尼康F接口,EF接口幾乎沒用到

C、CS接口的區(qū)別

1、接口直徑和螺紋間距都是一樣的，只是法蘭后截距不同（鏡頭螺紋接口起點到感光芯片的距離）。C接口為17.526mm，CS接口為15.5mm。
2、C接口鏡頭通過安裝一個5mm高的C-CS轉(zhuǎn)接口可以改造成CS接口相機上；CS接口鏡頭不能安裝到C接口相機上。

鏡頭選型

1、鏡頭靶面尺寸要大于等于相機感光元件的靶面尺寸，否則形成黑邊；
2、鏡頭的接口和相機的接口匹配，C接口鏡頭可以通過轉(zhuǎn)接環(huán)到CS接口相機，但反過來不行。
3、計算焦距

焦距計算

知道CCD尺寸、物距、視野

公式：焦距=（物距×CCD尺寸）/物體大小
例子：

• 已知觀察范圍：50mm*50mm，工作距離：150mm，CCD尺寸1/1.8’'，求焦距？
  解：
  • CCD尺寸為1/1.8’'，查表得到尺寸為7.25.4mm
    焦距 =（物距CCD尺寸）/物體大小
    =150×5.4/50
    =16.2mm
    可選擇焦距為16mm左右的工業(yè)鏡頭

知道線放大倍數(shù)M、工作距離L

公式：M=像寬/物寬=v/u，代入光學(xué)高斯公式：1/u+1/v=1/f
可得：f=L*M(M+1)
例子：
要求系統(tǒng)分辨率為0.06mm，像元大小為4.7μm，工作距離大于150mm，求焦距？
解：

• 焦距無要求，所以使用定焦鏡頭。
• 精度0.06mm，所以使用低畸變或者遠心鏡頭
• 計算焦距
  – 線放大倍率M=像元大小/系統(tǒng)分辨率=4.7μm/0.06mm=4.7/60=0.078
  –帶入焦距計算公式：f=LM/(M+1)=1500.078/1.078=10.85
  – 可以使用焦距在10mm左右的鏡頭

相機

物體反射光線，經(jīng)過鏡頭縮小成像在感光芯片上

相機成像原理

• 鏡頭負責縮小成像；
• 光圈控制進入相機的光線強度；
• 快門控制光線照射芯片的使勁按；
• 感光芯片將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

感光芯片

對于單個像素來說，其都是通過感光二極管進行光電轉(zhuǎn)換，光線會激發(fā)電荷，電荷在曝光過程中累積。光線中的光子照射在光電二極管上，電子進入高能狀態(tài)被激發(fā)踢出，光線越強馬甲發(fā)的電子越多，電荷越強。

相機像元

像元是組成數(shù)字圖像的最小單元，像元的尺寸和像元數(shù)量（分辨率）共同決定了相機的靶面尺寸。

像元尺寸從某種程度上反映了相機芯片的對光的響應(yīng)能力，一般情況下，像元尺寸越大，能夠接收到的光子越多，在同樣的光照條件和曝光時間內(nèi)產(chǎn)生的電荷量越多。
通常工業(yè)相機像元尺寸為2μm~14μm。

相機分辨率

分辨率是指感光芯片上像元的數(shù)量。
例如60萬像素的相機分辨率參數(shù)可能是3072*2048=6291456
常用的工業(yè)相機分辨率由50萬，130萬，200萬，500萬，1200萬。
對于線陣相機而言，分辨率就是長安其水平方向上的像素數(shù)量，常見的由1K，2K，6K等，分辨率不是越大越好，分辨率越大，對處理的性能要求就越高，成本也會增加。

彩色相機和黑白相機

彩色相機即RGB相機如右圖所示，需要在透鏡后方加紅色透鏡，只允許紅色光線透過。
1、真彩色相機
真彩色相機每個像素由3個像元組成，3個像元分別裝上RGB三種濾鏡，即可得到三種光的亮度，合成即可得到彩色照片。
2、偽彩色相機
每個像素裝上不同顏色的濾鏡，每個像素的顏色由周邊像素的顏色一起合成，像素的排列方式使用byer。

通過對人眼的感知能力進行研究發(fā)現(xiàn)，人眼對綠色比較敏感，所以像素的排列中，綠色像素數(shù)量是紅色和藍色像素數(shù)量之和。

以黃色為例，它由紅色光和綠色光混合而成，那么通過濾光層之后，紅色和綠色點下方有值，但藍色點下方?jīng)]有值，根據(jù)藍點周圍有紅點和綠點可以推測出，這個像素點本來的顏色為黃色。
3、什么時候使用彩色相機？
彩色相機在成像后精度會有所下降，所以除非需求中需要圖像的顏色信息，否則使用黑白相機。

CMOS和CCD的區(qū)別

CCD和CMOS的主要區(qū)別在于信號的讀出方式不同，單個像元上有一個名為勢阱的原件，光線照射在上面會產(chǎn)生電荷，電荷會在勢阱上積累。？？？？？？

CCD僅有一個（或少數(shù)幾個）輸出節(jié)點統(tǒng)一讀出電壓，電子沿著CCD的每一行向下移動，最終到達末端進行統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換電壓。

CMOS傳感器中的每個像素都有自己的讀出電路，即一個光電二極管放大器對，他們會將光子轉(zhuǎn)換為電壓。

• CMOS每個觀念觀點二極管旁邊都搭配一個放大器,每個放大器在制成上都有細微的差異,很難有同步放大的效果,噪聲較多.
• 相同尺寸的感光芯片,CMOS感光度低于CCD
• CCD需要外加電壓，驅(qū)動電荷移動，耗電量高；
• CCD輸出模擬信號，需要后續(xù)的地址譯碼器，模擬轉(zhuǎn)換器，圖像信號處理器,并且還需要提供三組不同電壓的電源同步時鐘控制電路,集成度非常低.
• CCD不可并行讀取,讀取速度慢,大部分500fps以上高速相機都是CMOS相機,CMOS相機的地址選通開關(guān)可以隨機采樣,實現(xiàn)子窗口的輸出,達到更高的速度.

相機快門

工業(yè)相機一般都是具有電子快門特性,電子快門不需要任何的機械部件,相機采用電子脈沖長度控制相機傳感器的積分時間。

工業(yè)相機中使用電子快門，速度快，穩(wěn)定

卷簾曝光：曝光時，Sensor逐行掃描進行曝光，直至所有像素點都被曝光，所有動作在很短的時間內(nèi)完成，不同行像元曝光的時間不同?？梢苑謩e控制每一行的曝光時間，獲得對比度均勻的圖像
全局快門：通過整幅場景在同一時間曝光實現(xiàn)，Sensor所有像素點同時收集光線。

CCD只支持全局快門；CMOS支持全局快門和卷簾快門

全局快門在光電轉(zhuǎn)換之后要等待逐行的模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后才能拍攝下一幀，所以幀率較低。
全局快門需要更多的晶體管存儲電荷，會產(chǎn)生較多的噪聲和熱量。

卷簾快門存在果凍現(xiàn)象

當保管不當或物體移動速度較快時，會出現(xiàn)部分曝光、斜坡圖像、晃動等現(xiàn)象。稱為果凍現(xiàn)象。

曝光

曝光：曝光是光線在感光芯片上的作用強度。
曝光=通光量+曝光時間+增益
通光量：由鏡頭光圈控制。
曝光時間：由快門控制。

增益

增益在數(shù)碼相機中叫做IOS，提高增益就是提高傳感器的感光度。
高感光度對光線靈敏，同時對噪點也靈敏，信噪比小。
優(yōu)先使用曝光時間調(diào)節(jié)圖像亮度。在不過曝的前提下，增加曝光時間可以增加信噪比，使圖像清晰。
對于很弱的信號，曝光時間不能無限增加，因為增加曝光的時間，噪音也會累積。
增益的使用場景：高速拍攝場景，增加曝光的時間會導(dǎo)致拖影。
一般相機增益都產(chǎn)生很大的噪聲，所以幾乎不用。

幀率

每秒采集圖像的數(shù)量，單位為幀數(shù)每秒，簡稱FPS或“赫茲”（Hz）。

非重疊模式：每個圖像采集的周期中，相機在下一個圖像采集開始前，均要完成曝光+讀取整個過程。曝光時間越長，幀率越低。
重疊模式：允許在下一幀圖像開始曝光時候，將前一幀獲得的圖像數(shù)據(jù)讀出并傳送出去。
注：工業(yè)相機的讀取時間可以忽略。

白平衡

白平衡是對紅、綠、藍三個分量的平衡，以使相機能反映實際景物真實顏色。

由于光敏元件在不同的光照條件下RGB三個分量的輸出是不平衡的，從而會產(chǎn)生圖像在色彩上的失真，偏藍或者偏紅，因此需要白平衡來還原圖像的色彩。通常相機完成白平衡可以分為自動和手動白平衡兩種方式，此外還可以通過軟件實現(xiàn)白平衡。

靶面尺寸

見上面鏡頭的靶面尺寸

像素的位深

像素深度是指每位像素數(shù)據(jù)的位數(shù),通常用多少比特表示.

每個像素的比特位數(shù)越多，表達圖像細節(jié)的能力越強，這個像素的灰階值更加豐富，像素的灰階值深度就更深，但同時數(shù)據(jù)量會變大，影響系統(tǒng)的處理速度。
常見的是8bit、10bit、12bit。分辨率和像素深度功能決定了圖像數(shù)據(jù)的大小。對于像素深度為8bit的500萬像素，圖像的大小為256020488/8/1024/1024=5MB

相機輸出接口

1、有著高效、高速和高性能的特點，是目前工業(yè)相機中發(fā)展最快的。
2、穩(wěn)定性高，線纜最長可以達到100m。

1、世界上應(yīng)用最廣泛的接口、USB工業(yè)相機可以直接被連接到電腦上穩(wěn)定工作。
2、USB接口可以直接為USB相機供電。
3、USB接口速度快，同型號幀率高、
4、線纜長度5m之內(nèi)。

1、專業(yè)針對工業(yè)相機的特殊需求（圖像數(shù)據(jù)量大、帶寬要求高）而研發(fā)。
2、不支持熱插拔。
3、需要配合采集卡使用。

相機分辨率計算

1、知道精度和拍攝的視野范圍，可以用視野尺寸除以精度，多出分辨率。
思路：1個精度尺寸至少需要1個像元來識別，事業(yè)范圍對應(yīng)整個感光芯片，計算出視野范圍包含多少個精度尺寸，就是感光芯片需要多少個像元，若是缺陷檢測，通常不止會只用一個像素表示一個精度，而是乘以3-4倍。
解法：分辨率=（視野高/精度）*（視野寬/精度）*3

光學(xué)棱鏡

1.色散棱鏡：根據(jù)棱鏡基片的波長和反射率，棱鏡色散取決于棱鏡的幾何及其折射率色散曲線。最小偏向角決定入射光線和投射光線之間的最小夾角。綠色光的波長偏離超過紅色 ，藍色比紅色和綠色多 ；紅色通常定義為656.3nm，綠色為587.6nm，藍色為486.1nm。
2.偏轉(zhuǎn)或反射棱鏡：偏轉(zhuǎn)光線路徑的棱鏡，或?qū)D像從其原始軸偏移，在很多成像系統(tǒng)中很有幫助。光線通常在45°、60°、90°和180°角度偏轉(zhuǎn)。這有助于聚集系統(tǒng)大小或調(diào)整光線路徑而不影響其余的系統(tǒng)設(shè)置。
3.旋轉(zhuǎn)棱鏡：旋轉(zhuǎn)棱鏡，例如道威棱鏡，用于旋轉(zhuǎn)倒位后的圖像。
4.偏移棱鏡：偏移棱鏡保持光線路徑的方向，還會將其關(guān)系調(diào)整為正常。