3D机器视觉相镜头相机介绍
相机的镜头类似于人眼的晶状体。如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，相机无法输出清晰
的。在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。镜头对成像质量有着关键性
的作用，它对成像质量的几个最主要指标都有影响，包括 分辨率 、对比度、景深及各种像素差异。
镜头种类繁多，一般情况下，机器视觉系统中的镜头可进行如下分类。
(1)根据有效像场的大小划分
把摄影镜头安装在一很大的伸缩暗箱前端，并在该暗箱后端安装一块很大的磨砂玻璃。当将镜头光圈开至最大，
并对准无限远景物调焦时，在磨砂玻璃上呈现出的影像均位于一圆形面积内，而圆形外则漆黑，无影像。此有影
像的圆形面积称为该镜头的最大像场。在这个最大像场范围的中心部位，有一能使无限远处的景物结成清晰影像
的区域，这个区域称为清晰像场。照相机或摄影机的靶面一般都位于清晰像场之内，这一限定范围称为有效像
场。由于视觉系统中所用的相机的靶面尺寸有各种型号，所以在选择镜头时一定要注意镜头的有效像场应该大于
或等于摄像机的靶面尺寸，否则成像的边角部分会模糊甚至没有影像。根据有效像场的大小，一般可分为如下表
所示
(2)根据焦距划分
根据焦距能否调节，可分为定焦距镜头和变焦距镜头两大类。依据焦距的长短，定焦距镜头又可分为鱼眼镜头、
短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四大类。需要注意的是焦距的长短划分并不是以焦距的绝对值为首要标准，而是
以像角的大小为主要区分依据，所以当靶面的大小不等时，其标准镜头的焦距大小也不同。变焦镜头上都有变焦
环，调节该环可以使镜头的焦距值在预定范围内灵活改变。变焦距镜头最长焦距值和最短焦距值的比值称为该镜
头的变焦倍率。变焦镜头又可分为手动变焦和电动变焦两大类。
变焦镜头通过镜头镜片之间的相互位移，使镜头的焦距可在一定范围内连续变化，从而在无需更换镜头的条件
下，通过CCD相机既可以获得成像目标的全景图像，又可获得局部细节的图像。变焦镜头的变焦范围一般有6倍、
8倍、10倍、12倍、16倍、20倍、50倍等。变焦镜头由于具有可连续改变焦距值的特点，在需要经常改变摄影视
场的情况下非常方便使用，所以在摄影领域应用非常广泛。但由于变焦距镜头的透镜片数多、结构复杂，所以最
大相对孔径不能做得太大，致使图像亮度较低、图像质量变差，同时在设计中也很难针对各种焦距、各种调焦距
离做像差校正，所以其成像质量无法和同档次的定焦距镜头相比。
变焦镜头一般由几片透镜组成。两个焦距分别为f1、f2且相距为d的透镜组变焦镜头一般由焦距组、变倍组、补偿
组、固定组等构成。其中焦距组的主要作用是通过小范围内的轴向移动，实现镜头的焦距调整；变倍组主要通过
轴向移动，达到焦距连续可调的目的；当变倍组前后移动进行焦距调整时，镜头的成像面将随之发生变化，补偿
组可随变倍组的移动而进行相应的移动，是成像面保持在图像传感器的光敏面上；固定组的主要作用是保持有一
定的装座距离。
实际常用的镜头的焦距是从4mm到300mm的范围内有很多的等级，如何选择合适焦距的镜头是在机器视觉系统
设计时要考虑的一个主要问题。光学镜头的成像规律可以根据两个基本成像公式——牛顿公式和高斯公式来推
导，对于机器视觉系统的常见设计模型，一般是根据成像的放大率和物距这两个条件来选择合适焦距的镜头，相
关计算公式如表所示。
(3)根据光圈类型划分
镜头有手动光圈(Manual Iris)和自动光圈(Auto Iris)之分，配合相机使用，手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场
合，自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整，故适用亮度变化的场合。自动光圈镜头有两类：一类是将
一个视频信号及电源从相机输送到透镜来控制镜头上的光圈，称为视频输入型；另一类则利用相机上的直流电压
来直接控制光圈，称为DC输入型。自动光圈镜头上的ALC(自动镜头控制)调整用于设定测光系统，可以整个画面
的平均亮度，也可根据画面中最亮部分(峰值)来设定基准信号强度，供给自动光圈调整使用。一般而言，ALC已在
出厂时经过设定，可不作调整，但是对于拍摄景物中包含有一个亮度极高的目标时，明亮目标物的影像可能会造
成“白电平削波”现象，而使得全部屏幕变成白色，此时可以调节ALC来变换画面。
另外，自动光圈镜头装有光圈环，转动光圈环时，通过镜头的光通量会发生变化，光通量即光圈，一般用F表示，
F值越小，则光圈越小。
采用自动光圈镜头，对于下列应用情况是理想的选择，在诸如太阳光直射等非常亮的情况下，用自动光圈镜头可
有较宽的动态范围。要求在整个视野有良好的聚焦时，用自动光圈镜头有比固定光圈镜头更大的景深。要求在亮
光上因光信号导致的模糊最小时，应使用自动光圈镜头。
(4)根据镜头接口类型划分
镜头和相机之间的接口有许多不同的类型，工业相机常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、莱卡
接口、M42接口、M50接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般也
可以找到各种常用接口之间的转接口。
C接口和CS接口是工业相机最常见的国际标准接口，为1in-32UN英制螺纹连接口，C型接口和CS型接口的螺纹连
接是一样的，区别在于C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm。所以CS型接口的相机可以和
C口及CS口的镜头连接使用，只是使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈；C型接口的摄像机不能用CS口的镜头。
F接口镜头是尼康镜头的接口标准，所以又称尼康口，也是工业相机中常用的类型，一般相机靶面大于1in时需用F
口的镜头。
V接口镜头是著名的专业镜头品牌施奈德镜头主要使用的标准，一般也用于相机靶面较大或特殊用途的镜头。
(5)特殊用途的镜头
①显微镜头(Micro) 一般是指成像比例大于10:1的拍摄系统所用，但由于现在的相机的像元尺寸已经做到3μm以
内，所以一般成像比例大于2:1时也会选用显微镜头。
②微距镜头(Macro) 一般是指成像比例为2:1～1:4的范围内的特殊设计的镜头。在对图像质量要求不是很高的情
况下，一般可采用在镜头和相机之间加近摄接圈的方式或在镜头前加近拍镜的方式达到放大成像的效果。
③ 远心镜头 (Telecentric) 主要是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到
的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。
④紫外镜头(Ultraviolet)和红外镜头(Infrared) 一般镜头是针对可见光范围内的使用设计的，由于同一光学系统
对不同波长的光线折射率的不同，导致同一点发出的不同波长的光成像时不能会聚成一点，产生色差。常用镜头
的消色差设计也是针对可见光范围的，紫外镜头和红外镜头即是专门针对紫外线和红外线进行设计的镜头。
(6)不同种类镜头的应用范围不同。
① 手动、自动光圈镜头 手动光圈镜头是最简单的镜头，适用于光照条件相对稳定的条件下，手动光圈由数片金
属薄片构成。光通量靠镜头外径上的一个环调节。旋转此圈可使光圈缩小或放大。在照明条件变化大的环境中或
不是用来监视某个固定目标，应采用自动光圈镜头，比如在户外或人工照明经常开关的地方，自动光圈镜头的光
圈的动作由马达驱动，马达受控于摄像机的视频信号。手动光圈镜头和自动光圈镜头又有定焦距(光圈)镜头自动光
圈镜头和电动变焦距镜头之分。
② 定焦距(光圈)镜头 一般与电子快门摄像机配套，适用于室内监视某个固定目标的场所作用。定焦距镜头一般
又分为长焦距镜头、中焦距镜头和短焦距镜头。中焦距镜头是焦距与成像尺寸相近的镜头；焦距小于成像尺寸的
称为短焦距镜头，短焦距镜头又称广角镜头，该镜头的焦距通常是28mm以下的镜头，短焦距镜头主要用于环境
照明条件差，监视范围要求宽的场合，焦距大于成像尺寸的称为长焦距镜头，长焦距镜头又称望远镜头，这类镜
头的焦距一般在150mm以上，主要用于监视较远处的景物。
③ 手动光圈镜头 可与电子快门摄像机配套，在各种光线下均可使用。
④ 自动光圈镜头 可与任何CCD相机配套，在各种光线下均可使用，特别用于被监视表面亮度变化大、范围较大
的场所。为了避免引起光晕现象和烧坏靶面，一般都配自动光圈镜头。
⑤ 电动变焦距镜头 可与任何CCD相机配套，在各种光线下均可使用，变焦距镜头是通过遥控装置来进行光对
焦，光圈开度，改变焦距大小。
