在鏡頭設(shè)計(jì)中有許多重要的特性，包括鏡頭分辨率、鏡頭畸變和光照均勻性等，直接影響機(jī)器視覺系統(tǒng)性能。
機(jī)器視覺系統(tǒng)中使用的攝像機(jī)、鏡頭和照明都對(duì)圖像的整體質(zhì)量做出了重要貢獻(xiàn)。過去幾年CMOS圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展為鏡頭制造商帶來了重大挑戰(zhàn)。越來越高的傳感器分辨率意味著現(xiàn)在有許多傳感器具有更小的像素，需要更高分辨率的鏡頭。另一方面，為獲得更高的靈敏度而保持較大像素大小的高分辨率傳感器通常采用較大的格式，因此需要較大格式的高分辨率鏡頭。此外，許多需要非常長(zhǎng)焦距鏡頭的應(yīng)用，如監(jiān)視、運(yùn)動(dòng)、航空攝影和主題公園游樂設(shè)施上的攝影，正日益納入機(jī)器視覺的范疇，需要加以解決。在鏡頭設(shè)計(jì)中包括鏡頭分辨率、空間失真和通過鏡頭的照明均勻性對(duì)鏡頭的性能產(chǎn)生重要影響。
提示:在保持傳感器尺寸以降低成本的同時(shí)提高傳感器分辨率需要具有更高M(jìn)TF的鏡頭來分辨這些更小的像素。應(yīng)該始終考慮系統(tǒng)成本，因?yàn)檩^低成本的較小像素尺寸需要更高分辨率的鏡頭。
鏡頭畸變
除了分辨率的變化外，所有透鏡也會(huì)受到一定的空間畸變。圖2顯示了如何以非線性方式拉伸或壓縮圖像，使整個(gè)傳感器的精確測(cè)量變得非常困難。雖然有一些軟件方法可以解決這個(gè)問題，但它們無法考慮物體的物理深度，因此最好選擇質(zhì)量好的低失真鏡頭，而不是試圖在軟件中糾正這些錯(cuò)誤。作為一般規(guī)則，較短焦距的鏡頭將具有比具有較長(zhǎng)焦距的鏡頭更大的失真，因?yàn)楣鈴母蟮慕嵌日丈涞絺鞲衅鳌Ｊ褂酶鼜?fù)雜的鏡頭設(shè)計(jì)，可以保持低失真，并且許多鏡頭制造商一直在努力研究他們的光學(xué)設(shè)計(jì)，使他們能夠?qū)⒖臻g失真降低到0.1％的數(shù)量級(jí)。
提示:為了以最小的成本最小化失真，較長(zhǎng)的工作距離將提供最佳的效果。
照明均勻性
所有來自鏡頭的圖像都存在漸暈，即從圖像中心到邊緣的光照強(qiáng)度降低，這可能會(huì)影響透鏡應(yīng)用的適用性。鏡頭暈渲是由于光束被機(jī)械地遮擋(通常是被透鏡支架遮擋)而導(dǎo)致的對(duì)圖像邊緣的暈渲。這主要發(fā)生在透鏡的圖像圓(或格式)對(duì)于傳感器的尺寸太小時(shí)。所有的鏡頭都受到“Cos4漸暈”的影響，這是由于光線必須經(jīng)過更遠(yuǎn)的距離到達(dá)圖像邊緣，并以淺角度到達(dá)傳感器。當(dāng)角度將光線聚焦到傳感器的非敏感部分時(shí)，在每個(gè)像素上都有微透鏡的鏡頭上。也可以最小化，如果鏡頭是由兩個(gè)f停止下來。通過提高整個(gè)傳感器的照明均勻性，鏡頭制造商可以消除對(duì)光強(qiáng)度補(bǔ)償?shù)男枨螅驗(yàn)楣鈴?qiáng)度補(bǔ)償可能會(huì)在圖像中引入噪聲。
鏡頭接口
將鏡頭固定到相機(jī)上是通過使用不同標(biāo)準(zhǔn)的鏡頭接口來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器視覺應(yīng)用中最常用的是C-mount，它可以從各種鏡頭和配件中受益，包括提供計(jì)算機(jī)控制的光圈和聚焦的能力。CS安裝座并不太常用與C-mount安裝座基本相同，但法蘭焦距縮短了5mm。較小的鏡頭卡口系統(tǒng)（如S-mount）通常用于板級(jí)相機(jī)和微型相機(jī)。這些鏡頭只允許最小的調(diào)整。對(duì)于大幅面?zhèn)鞲衅骱途€掃描應(yīng)用，可以使用更大尺寸的F-mount系統(tǒng)，盡管越來越多地使用更強(qiáng)大的M42安裝座（有時(shí)稱為T-mount）。但大幅面鏡頭不支持自動(dòng)控制光圈和對(duì)焦的能力。長(zhǎng)焦鏡頭也在機(jī)器視覺中得到應(yīng)用，最長(zhǎng)焦距可達(dá)600毫米。這些大幅面鏡頭主要為專業(yè)攝影師開發(fā)，也包括電動(dòng)光圈和變焦，需要專門的EF鏡頭安裝座。目前，越來越多的機(jī)器視覺相機(jī)采用EF安裝功能和EF鏡頭制造，其新穎的光學(xué)功能通過最近的直接分銷協(xié)議提供給更廣泛的機(jī)器視覺市場(chǎng)。
如何選擇鏡頭
有了如此多的機(jī)器視覺鏡頭選項(xiàng)，為特定的應(yīng)用選擇最好鏡頭并不簡(jiǎn)單。所以將系統(tǒng)作為一個(gè)整體來考慮非常重要。例如，許多現(xiàn)代的百萬像素相機(jī)使用小的傳感器尺寸來降低成本，但由此產(chǎn)生的小像素尺寸需要更高的質(zhì)量，因此光學(xué)器件也更昂貴。對(duì)于某些應(yīng)用來說，選擇更昂貴、像素更大、光學(xué)要求更低的相機(jī)可能會(huì)有好處，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。與專家視覺技術(shù)供應(yīng)商合作可以減輕這些決策中的風(fēng)險(xiǎn)。
了解鏡頭性能-調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)
理想的鏡頭可以產(chǎn)生與物體完美匹配的圖像，包括其所有細(xì)節(jié)和亮度變化。在實(shí)踐中，這絕不是完全可能的，因?yàn)殓R頭充當(dāng)?shù)屯V波器?？紤]到所有像差，鏡頭的圖像質(zhì)量可以通過其調(diào)制傳遞函數(shù)定量地描述。 MTF由透鏡再現(xiàn)具有不同間距（線對(duì)/空間頻率/ mm）的線（網(wǎng)格）的能力來定義?？梢詤^(qū)分的線對(duì)/ mm越多，鏡頭的分辨率越好。每個(gè)空間頻率的MTF圖顯示了由鏡頭引起的對(duì)比度損失（圖1）。通常以相對(duì)良好的對(duì)比度轉(zhuǎn)移諸如粗糙間隔線的大結(jié)構(gòu)。較小的結(jié)構(gòu)，例如細(xì)間隔的線，以低對(duì)比度傳輸。任何給定頻率或細(xì)節(jié)的衰減量按MTF分類，這表示鏡頭的傳輸效率。對(duì)于任何鏡頭，都有一個(gè)調(diào)制為零的點(diǎn)。此限制通常稱為分辨率限制，通常以每毫米線對(duì)數(shù)（lp / mm）引用，或者以最小線尺寸（以μm為單位）引用一些微距鏡頭，這也相當(dāng)于鏡頭所需的最小像素尺寸。適當(dāng)。 MTF從鏡頭的中心軸向邊緣移動(dòng)惡化，如果整個(gè)圖像需要標(biāo)稱分辨率，這是一個(gè)重要的考慮因素。由于像散，MTF也可以根據(jù)鏡頭上某點(diǎn)的線條方向而變化，并且也是測(cè)量時(shí)的光圈設(shè)置的函數(shù)，因此在比較鏡頭性能時(shí)必須小心。由于必須選擇透鏡以使分辨率與圖像傳感器的像素尺寸相匹配，因此像素越小，透鏡所需的分辨率越高。提示:在保持傳感器尺寸以降低成本的同時(shí)提高傳感器分辨率需要具有更高M(jìn)TF的鏡頭來分辨這些更小的像素。應(yīng)該始終考慮系統(tǒng)成本，因?yàn)檩^低成本的較小像素尺寸需要更高分辨率的鏡頭。
圖2：鏡頭畸變
鏡頭畸變
除了分辨率的變化外，所有透鏡也會(huì)受到一定的空間畸變。圖2顯示了如何以非線性方式拉伸或壓縮圖像，使整個(gè)傳感器的精確測(cè)量變得非常困難。雖然有一些軟件方法可以解決這個(gè)問題，但它們無法考慮物體的物理深度，因此最好選擇質(zhì)量好的低失真鏡頭，而不是試圖在軟件中糾正這些錯(cuò)誤。作為一般規(guī)則，較短焦距的鏡頭將具有比具有較長(zhǎng)焦距的鏡頭更大的失真，因?yàn)楣鈴母蟮慕嵌日丈涞絺鞲衅鳌Ｊ褂酶鼜?fù)雜的鏡頭設(shè)計(jì)，可以保持低失真，并且許多鏡頭制造商一直在努力研究他們的光學(xué)設(shè)計(jì)，使他們能夠?qū)⒖臻g失真降低到0.1％的數(shù)量級(jí)。
提示:為了以最小的成本最小化失真，較長(zhǎng)的工作距離將提供最佳的效果。
照明均勻性
所有來自鏡頭的圖像都存在漸暈，即從圖像中心到邊緣的光照強(qiáng)度降低，這可能會(huì)影響透鏡應(yīng)用的適用性。鏡頭暈渲是由于光束被機(jī)械地遮擋(通常是被透鏡支架遮擋)而導(dǎo)致的對(duì)圖像邊緣的暈渲。這主要發(fā)生在透鏡的圖像圓(或格式)對(duì)于傳感器的尺寸太小時(shí)。所有的鏡頭都受到“Cos4漸暈”的影響，這是由于光線必須經(jīng)過更遠(yuǎn)的距離到達(dá)圖像邊緣，并以淺角度到達(dá)傳感器。當(dāng)角度將光線聚焦到傳感器的非敏感部分時(shí)，在每個(gè)像素上都有微透鏡的鏡頭上。也可以最小化，如果鏡頭是由兩個(gè)f停止下來。通過提高整個(gè)傳感器的照明均勻性，鏡頭制造商可以消除對(duì)光強(qiáng)度補(bǔ)償?shù)男枨螅驗(yàn)楣鈴?qiáng)度補(bǔ)償可能會(huì)在圖像中引入噪聲。
圖3：漸暈
環(huán)境影響
許多視覺系統(tǒng)被部署在制造環(huán)境中，這意味著它們暴露在各種各樣的環(huán)境影響下，從污垢、濕度和溫度到機(jī)械和電磁效應(yīng)。有許多可用的防護(hù)罩，可以防止灰塵和濕氣的侵入。鏡頭組件的機(jī)械穩(wěn)定性對(duì)于避免模糊和確?？煽亢涂芍貜?fù)的測(cè)量至關(guān)重要。大多數(shù)用于機(jī)器視覺應(yīng)用的鏡頭都是用金屬外殼和聚焦機(jī)制制造的，以保證鏡頭的穩(wěn)定性。許多鏡頭也提供了抗沖擊和振動(dòng)特性，使他們適用于最惡劣的環(huán)境。鏡頭制造商已經(jīng)提出了一系列的設(shè)計(jì)方案，其中一些獲得了專利，以限制鏡頭玻璃由于振動(dòng)和沖擊而移動(dòng)所產(chǎn)生的圖像位移。這些包括使用鎖定螺釘來防止焦點(diǎn)和光圈的移動(dòng)，甚至是固定光圈的移動(dòng)，以及透鏡體中所有元件的粘接。鏡頭接口
將鏡頭固定到相機(jī)上是通過使用不同標(biāo)準(zhǔn)的鏡頭接口來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器視覺應(yīng)用中最常用的是C-mount，它可以從各種鏡頭和配件中受益，包括提供計(jì)算機(jī)控制的光圈和聚焦的能力。CS安裝座并不太常用與C-mount安裝座基本相同，但法蘭焦距縮短了5mm。較小的鏡頭卡口系統(tǒng)（如S-mount）通常用于板級(jí)相機(jī)和微型相機(jī)。這些鏡頭只允許最小的調(diào)整。對(duì)于大幅面?zhèn)鞲衅骱途€掃描應(yīng)用，可以使用更大尺寸的F-mount系統(tǒng)，盡管越來越多地使用更強(qiáng)大的M42安裝座（有時(shí)稱為T-mount）。但大幅面鏡頭不支持自動(dòng)控制光圈和對(duì)焦的能力。長(zhǎng)焦鏡頭也在機(jī)器視覺中得到應(yīng)用，最長(zhǎng)焦距可達(dá)600毫米。這些大幅面鏡頭主要為專業(yè)攝影師開發(fā)，也包括電動(dòng)光圈和變焦，需要專門的EF鏡頭安裝座。目前，越來越多的機(jī)器視覺相機(jī)采用EF安裝功能和EF鏡頭制造，其新穎的光學(xué)功能通過最近的直接分銷協(xié)議提供給更廣泛的機(jī)器視覺市場(chǎng)。
圖4：不同的鏡頭接口
如何選擇鏡頭
有了如此多的機(jī)器視覺鏡頭選項(xiàng)，為特定的應(yīng)用選擇最好鏡頭并不簡(jiǎn)單。所以將系統(tǒng)作為一個(gè)整體來考慮非常重要。例如，許多現(xiàn)代的百萬像素相機(jī)使用小的傳感器尺寸來降低成本，但由此產(chǎn)生的小像素尺寸需要更高的質(zhì)量，因此光學(xué)器件也更昂貴。對(duì)于某些應(yīng)用來說，選擇更昂貴、像素更大、光學(xué)要求更低的相機(jī)可能會(huì)有好處，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。與專家視覺技術(shù)供應(yīng)商合作可以減輕這些決策中的風(fēng)險(xiǎn)。
