工业镜头的主要参数对成像质量的影响

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· 2023-11-11

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在机器视觉系统应用中，好的镜头就相当于人拥有好的眼睛，其作用是将光学图像聚焦在图像传感器的光敏面阵上。一个高质量的工业镜头，在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好的体现，对各种图像的校正也比较好，但其价格也会相应的提高。

在选择工业相机的同时选择合适的镜头，你可能认为自己需要的是高分辨率的相机，但是却没有选择性价比高的镜头去搭配，最后可能在高分辨率相机上浪费钱。一个高性价比镜头，不仅体现在图像效果的层面上，也体现视觉项目的成本预算中。所以，如果我们掌握一些选择镜头的规律和经验，就可以使用同档次的镜头达到更好的效果。

不同类型的工业镜头，成像质量也各不相同；即使类型相同，其成像质量也有着很大的差异，主要是因为镜头材质、加工精度和镜片结构等因素造成的，所以也导致不同档次的镜头价格有着巨大的差异。

行业中一般用光学传递函数OTF（Optical Transfer Function）来综合评价某个镜头成像质量的好与坏，光学传递函数，即光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息，当它在传递被拍物图像数据信息时，被传递为各空间频率的正弦波信号，其调制度和位相在成实际像时的变化，均为空间频率的函数。

像差则是影响图像质量的重要因素，常见的像差有：

球差：由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经光学折射后，由同一物点散射的光束经过透镜后，不交在同一位置上，以至在主轴上的理想像平面处，形成一个漫射光斑，即此现象称为球差。

慧差：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。

像散：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。

场曲：垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像误差称为场曲。

色差：由白色物体向光学系统发出一束白光，经光学系统折射后，各色光不能会聚于一点上，而形成一彩色像斑，称为色差。

畸变：被拍平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。

评价镜头质量时还会从分辨率、明锐度和景深等实用参数判断：

1、分辨率：又称鉴别率、解像力，指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力，制约镜头分辨率的原因是光的衍射现象，即衍射光斑。

2、明锐度：也称对比度，是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。

3、景深：调焦物平面前后的能形成相对清晰影像的实物纵深距离，也就是能获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称为景深。

4、最大相对孔径与光圈系数：相对孔径，是指该镜头的入射光孔直径（D）与焦距（f）之比，即：相对孔径＝D/ f 。相对孔径的倒数称为光圈系数。

工业镜头质量的好坏，直接影响到图像质量的效果，最终影响到机器视觉系统的整体性能，镜头主要参数对成像质量的影响：

1、焦距大小的影响

焦距越小，景深越大；焦距越小，畸变越大；

焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低。

2、光圈大小的影响

光圈越大，图像亮度越高；光圈越大，景深越小；

光圈越大，分辨率越高；光圈越大，球差和慧差越严重；

光圈越大，渐晕现象越严重，光场照度越不均匀。

3、图像中心与边缘的影响

图像中心较边缘分辨率高；

图像中心较边缘光场照度高；

像图像中心较边缘畸变小；

4、光波的影响

在相同的相机及镜头参数条件下，视觉光源的光波波长越短，镜头的分辨力越高。所以在精密测量的视觉系统项目中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统稳定性和图像精度有很大的作用。

来源：机器人视觉

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