Abstract: An article reads the selection of industrial lenses. This paper completely discusses the application and technical design basis of industrial lens in machine vision. Through two cases, the reader is guided to understand the engineering design techniques for the practical application of industrial lenses. Finally, the actual technical parameters of the industrial lens product group are given. From theory to application and products, there are references for entry-level and senior engineers.

Key words: Haikang   Machine vision industrial lens     Selection   Case   Product

【中图分类号】TD355+.42 【文献标识码】B  文章编号1606-5123（2018）07-0000-00

1 引言

机器视觉系统中，镜头作为机器的眼睛，其主要作用是将目标物体的图像聚焦在图像传感器(相机)的光敏器件上。数据系统所处理的所有图像信息均需要通过镜头得到，镜头的质量直接影响到视觉系统的整体性能。

2 镜头学堂

2.1 焦距EFL

焦距(EFL)定义为透镜中心到像方焦点的距离。光学系统中的焦距用来衡量光学系统汇聚或发散光线的能力，如图1所示：

 

该如何理解焦距与视场角的关系呢？对于相同的感光元件，搭配的镜头焦距越长，视场角越

小，反之成立(排除枕形畸变的影响)。可以根据图2直观的感受一下使用同款感光芯片的焦距概念：

 

2.2 光圈F

光圈定义为焦距(EFL)与入瞳(D，光圈在物方空间的像)的比值，即F.No=EFL/D。F.No数的大小是如何对画面亮度、景深及装配灵敏度产生影响的呢？

(1)画面亮度：F.No数的大小决定进入光学系统能量的多少。F.No越大，进入光学系统的光线越少，画面越暗；F.No越小，进入光学系统的光线越多，画面越亮，如图3所示(注:此项默认相机曝光时间、增益等参数恒定。)

 

(2)景深：在其它所有参数保持一致的前提下，F.No越大，景深越大；F.No越小，景深越小。

(3)装配灵敏度：F.No越大，图像对安装倾斜的灵敏度低，越易于装配；F.No越小，图像对安装倾斜的灵敏度高，越不易于装配。

2.3 畸变Distortion

畸变用于定义光学系统中，由于光学透镜固有的透视失真导致实际成像相对于被摄物体的失真程度。

(1)光学畸变OP Distortion：光学畸变指的是物体经过光学系统所成的像对于物体本身而言的失真程度。

光学畸变计算方法：

OP.Dist(%)=(实际像高－理想像高)/理想像高 × 100%

(2)TV 畸变TV Distortion：TV畸变指的是实际拍摄图像时，像的变形程度。

TV畸变计算方法：

TV.Dist(%)=(H1 - H2)/H 

TV畸变可分为枕形畸变和桶形畸变，对角线向外延长的变形（畸变值为正）称作枕形畸变，反之，对角线向内缩短的变形（畸变值为负负）称作桶形畸变，如图4所示：

 

2.4 视场角(Field of View)

视场角用于定义镜头在感光元器件上所能看到的空间角度范围，即光学系统入瞳中心对物的张角或出瞳中心对像的张角。视场角与焦距(EFL)的关系：若Y为Sensor的半对角线长度，在不考虑光学系统畸变的前提下，对角线视场角（2θ）=2*arctan(Y/EFL)，如图5所示(注：视场角与镜头焦距、Sensor靶面大小和镜头畸变有关)：

2.5 清晰度(Resolution)

清晰度用于定义分辨率和反差综合表现的结果。分辨率又称分辨力、解析力、鉴别率、解析度，指的是镜头清晰的再现被摄景物细节的能力，分辨率越高的镜头，拍摄的图像越清晰细腻。清晰度也可以用像面上镜头在单位MM内能够分辨的线对数表示，单位是LP/MM，能够分辨的线对数越多，代表镜头分辨率越高。如图6所示：

上式中I’max和I’min表示像的最大和最小灰度值，Imax和Imin表示物的最大和最小灰度值。很明显，调制度介于0和1之间，调制度M越高，意味着反差越大；当图像中的最大亮度和最小亮度相等，反差完全消失，此时调制度为0。图为分辨率为10LP/MM，MTF在0.05~0.4之间的对比图片，从图7可以看出，人眼可接受的最小可分辨的MTF数值在0.15~0.2之间：

 

(2)MTF如何影响到镜头的整体成像效果？低频率时的MTF值决定了图像的对比度，高频率时的MTF值决定了图像的分辨力，MTF的优劣直接影响到镜头的整体成像效果，如t图8所示：

 

图8中：

A曲线: 曲线平滑下降，说明图像的解像力和对比度均达到了较好的水平，见A图；

B曲线: 低频率时的MTF值持续很高，说明图像的对比度很好；但是高频率时的MTF很低，说明图像的解像力较差，见B图；

C曲线: 低频率时的MTF值下降较快，说明图像对比度较差；高频时的MTF较B曲线高，说明图像解像力效果比B好，见C图；

 

2.7 相对照度(Relative Illumination)

相对照度定义图像边缘亮度与中心亮度的比值。Sensor表面不同位置的照度的大小与该处入射于像面的光线入射角的Cosin四次方成正比，如图9所示：

相对照度<1? 

 

相对照度＜1的原因：中心视场与边缘视场的有效通光孔径不同(如图左)，造成中心与边缘的亮度差异。

2.8 景深(Depth of Field)

景深定义能够在像平面上呈现清晰的像的物方空间深度范围。那么景深是如何计算的？又和哪些因素有关呢？

可成清晰像的最远的物平面称为远景平面，它与对准平面的距离成为后景深△L1；能成清晰像的最近物平面称为近景平面，它与对准平面的距离称为前景深△L2；景深=前景深+后景深，如图10所示：

 

前景深 ΔL1= FδL²/ （f² + FδL）

后景深 ΔL2= FδL²/ （f² - FδL）

景深 ΔL =ΔL1+ΔL2=2f²FδL²/（ f 4- F²δ²L²）

δ——容许弥散圆直径

f——镜头焦距

F——镜头的拍摄光圈值

L——对焦距离

ΔL1—— 前景深

ΔL2——后景深

ΔL——景深

由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用的F.No 、 f焦距、拍摄距离以及对图像质量的要求(表现为容许弥散圆的大小)有关。

这些主要因素对景深的影响如下(假定其他的条件都不改变)：

(1)镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

(2)镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；

(3)拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

2.9 放大倍率(Magnification)

放大倍率定义为像高和物高的大小之比。放大倍率的计算方法：

 

2.12 镜头接口(Mount)

(1)C接口是工业镜头最为常用的一种接口，其法兰距(法兰面距离感光芯片的距离)为17.526mm，螺纹规格：直径1英寸，螺距1-32UNF；

    (2)CS接口是工业镜头比较少用的一种接口，其法兰距(法兰面距离感光芯片的距离)为12.526mm，螺纹规格：直径1英寸，螺距1-32UNF；

    (3)C接口与CS接口区别：

  

(4)F接口是一种卡口型接口，法兰距46.5mm，最早由Nikon为其35mm式相机而开发。目前较多的应用在大靶面相机和线扫描相机上，使用此接口，镜头可轻松安装和拆卸。

(5)M接口是一种螺纹接口，通常用于替换较大靶面相机的F接口，由接口直径(42mm、58mm、72mm等)、螺距(0.75mm、1mm等)和法兰距定义，种类较多。

(6)S接口是M接口的一种，规格：螺纹直径12mm，螺距0.5mm。

3 机器视觉镜头设计案例(一)

随着工业自动化近年来的快速发展，机器视觉方案在各个行业内的检测、定位、特征识别、数据采集等应用中得到越来越多的运用，合适的工业相机和镜头决定了机器视觉成像质量。那在种类繁多的工业相机和镜头中，如何合理地选择工业相机和镜头的搭配呢？

3.1 相机分辨率

根据系统对图像精度的要求来选择相机的分辨率案例：

(1)已知条件：

待检测物体大小：10mm x 7mm；

检测精度：0.01mm；

视野范围：12mm x 9mm；

(1)计算：

相机最小分辨率=(12/0.01)*(9/0.01)=1200*900≈108万像素；

相机分辨率至少为108万像素；

可以选用130万像素相机(1280*960)。

为减小边缘提取时的像素偏移带来的误差，提高系统的精准度和稳定性，实际使用中一般用2-3个像素对应一个最小缺陷或特征，则相机分辨率=108*3≈324万；最终选型320万像素相机(2048*1536)。

3.2 镜头像面

为保证画面整体的可应用性，选用镜头的像面尺寸应大于相机芯片的对角线尺寸(以下简称靶面)，否则会出现边缘暗角/黑角等情况，影响使用。常见的三种错误应用的范例：

     

4 机器视觉镜头设计案例(二）

(1)已知条件：

视野范围：12mm*9mm；

镜头前端距离被测物体距离：60mm；

选用相机：320万像素相机(分辨率2048*1536,像元尺寸3.45um)

(2)计算：

①    Sensor长宽尺寸:

          Sensor长度=2048*3.45/1000=7.0656mm

          Sensor高度=1536*3.45/1000=5.2992mm

5 海康工业镜头

秉承着设备高集成度、图像高性能的设计理念，海康机器人光学开发团队充分结合机器视觉领域内镜头的环境及应用特点，开发出了适用于工业视觉应用领域的全系列镜头产品。

5.1 HF系列(1/1.8” 6MP)

 

功能特性：

(1)超高清晰度，可支持0.3/1.3/3MP/6MP/10MP 1/1.8”及以下靶面的相机

(2)超紧凑外形，具有优秀的抗振能力和高低温性能

(3)F2.8，最大靶面1/1.8英寸

(4)整段工作范围内低畸变

(5)支持超短工作距，并在整个区间内保持优秀光学性能

(6)特别针对机器视觉光源和芯片进行优化

(7)面多层宽带镀膜，保证可见光和近红外波段的高透过率

(8)焦距可选范围6-50mm

 

功能特性：

(1)高清晰度，可支持5MP(2/3”及以下) 相机

(2)紧凑外形，具有优秀的抗振能力和高低温性能

(3)最大靶面2/3英寸

(4)F2.0，部分镜头F2.4-2.8

(5)低畸变

(6)支持超短工作距，并在整个区间内保持优秀光学性能

(7)表面多层镀膜，保证可见光波段高透过率

(8)可选焦距范围 8-50mm，全系列已经量产

功能特性：

(1)超高清晰度，可支持2MP(1/1.2”) 5MP(1”)12MP（1.1”）相机

(2)紧凑外形，具有优秀的抗振能力和高低温性能

(3)F2.8，最大靶面1.1英寸

(4)支持超短工作距，并在整个区间内保持优秀光学性能

(5)特别针对机器视觉光源和芯片进行光学优化

(6)表面多层宽带镀膜，保证可见光和近红外波段的高透过率

(7)周边光亮比高

(8)鬼像和光晕抑制设计

 

功能特性：

(1)高清晰度，可支持4/3英寸相机

(2)体积较大

(3)F2.0

(4)低畸变

(5)整个工作距离范围内保持优秀光学性能

(6)表面多层镀膜，保证可见光波段的高透过率

(7)可选焦距范围 12-85mm

(8)已经全系列量产

应用领域：(1)高精度3C测量、精确定位引导

 (2)精确定位引导等

6 结束语

本文以精简篇幅完整论述机器视觉中工业镜头的应用与技术设计基础。通过2个案例引导读者了解工业镜头实际应用的工程设计技术。最后给出实际的工业镜头产品群组技术参数。从理论到应用以及产品，对于入门级和资深工程师都有所参考借鉴。

参考文献（略）