工業(yè)鏡頭

將折射率不同的各種硝材通過研磨，加工成高精度的曲面、把這些鏡頭進(jìn)行組合，就是設(shè)計(jì)鏡頭。從伽利略時代開始使用的普遍技術(shù)是其基本原理。為得到更清晰的圖像，一直在研究開發(fā)試制新的硝材和非球面鏡片。

鏡頭的明亮度與口徑和焦距的變化有關(guān)。一般用F值表示鏡頭的明亮度，另外鏡頭里有用于調(diào)整亮度的光圈構(gòu)件，可根據(jù)使用條件來調(diào)整通光量。

焦距是主點(diǎn)到成像面的距離。這個數(shù)值決定了攝影范圍的不同。數(shù)值小，成像面距離主點(diǎn)近，是短焦距鏡頭。這種情況下的的畫角是廣角、可拍攝廣大的場景。相反的、主點(diǎn)到成像面的距離遠(yuǎn)時、是長焦距鏡頭，畫角變窄（望遠(yuǎn)）。

工業(yè)鏡頭鏡頭匹配

教大家如何選擇合適鏡頭，鏡頭選配時需要選擇與攝像機(jī)接口和CCD的尺寸相匹配的鏡頭。鏡頭C和CS的接口方式占主流。小型的安防用的CS接口攝像機(jī)得到普及、FA行業(yè)則大部分是C接口的攝像機(jī)與鏡頭的組合。對應(yīng)的CCD尺寸、市場上一般根據(jù)用途使用2/3寸到1/3寸的產(chǎn)品。

工業(yè)鏡頭互換性

C接口鏡頭可以與C接口攝像機(jī)、CS接口攝像機(jī)互用；

CS接口鏡頭不可以應(yīng)用在C接口攝像機(jī)，只可以應(yīng)用在CS接口攝像機(jī)。

工業(yè)鏡頭KERARE

攝像機(jī)如果使用配備小CCD尺寸的鏡頭，那么周邊沒有攝取到圖像的部分呈現(xiàn)出黑色，我們稱其為KERARE。

Y=f*tanθ y：像的大小 f：焦距θ：半畫角

θ=2tan-1*y/2f

例：1/2寸攝像機(jī)配12.5mm鏡頭時畫面橫向的視場面是：

θ=2tan-1*6.4/2*12.5=28.72

不同工業(yè)鏡頭的成像質(zhì)量有著有著千差萬別， 就算是同一類型的工業(yè)鏡頭也是如此，這主要是由于材質(zhì)、加工精度和鏡片結(jié)構(gòu)的不同等因素造成的，同時也導(dǎo)致不同檔次的工業(yè)鏡頭鏡頭價格從幾百元到幾萬元的巨大差異。比較著名的如四片三組式天塞鏡頭、六片四組式雙高斯鏡頭。對于鏡頭設(shè)計(jì)及生產(chǎn)廠家，一般用光學(xué)傳遞函數(shù)OTF (Optical Transfer Function)來綜合評價鏡頭成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)傳遞的是亮度沿空間分布的信息，光學(xué)系統(tǒng)在傳遞被攝景物信息時，被傳遞之各空間頻率的正弦波信號，其調(diào)制度和位相在成實(shí)際像時的變化，均為空間頻率的函數(shù)，此函數(shù)稱為光學(xué)傳遞函數(shù)。OTF一般由調(diào)制傳遞函數(shù)MTF(Modulation Transfer Function)與位相傳遞函數(shù)PTF(Phase Transfer Function )兩部分組成。

像差是影響圖像質(zhì)量的重要方面，常見的像差有如下六種：

球差：由主軸上某一物點(diǎn)向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，若原光束不同孔徑角的各光線，不能交于主軸上的同一位置，以至在主軸上的理想像平面處，形成一彌散光斑(俗稱模糊圈)，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為球差。

慧差：由位于主軸外的某一軸外物點(diǎn)，向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，若在理想像平面處不能結(jié)成清晰點(diǎn)，而是結(jié)成拖著明亮尾巴的慧星形光斑，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為慧差。

像散：由位于主軸外的某一軸外物點(diǎn)，向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的斜射單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，不能結(jié)成一個清晰像點(diǎn)，而只能結(jié)成一彌散光斑，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為像散。

場曲：垂直于主軸的平面物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所結(jié)成的清晰影像，若不在一垂直于主軸的像平面內(nèi)，而在一以主軸為對稱的彎曲表面上，即最佳像面為一曲面，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為場曲。當(dāng)調(diào)焦至畫面中央處的影像清晰時，畫面四周的影像模糊;而當(dāng)調(diào)焦至畫面四周處的影像清晰時，畫面中央處的影像又開始模糊。

色差：由白色物體向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出一束白光，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)折射后，各色光不能會聚于一點(diǎn)上，而形成一彩色像斑，稱為色差。色差產(chǎn)生的原因是同一光學(xué)玻璃對不同波長的光線的折射率不同，短波光折射率大，長波光折射率小。

畸變：被攝物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變?；兿癫钪挥绊懹跋竦膸缀涡螤?，而不影響影像的清晰度。這是畸變與球差、慧差、像散、場曲之間的根本區(qū)別。

在評價工業(yè)鏡頭質(zhì)量時一般還會從分辨率、明銳度和景深等幾個實(shí)用參數(shù)判斷：

1.分辨率(Resolution)：又稱鑒別率、解像力，指鏡頭清晰分辨被攝景物纖維細(xì)節(jié)的能力，制約工業(yè)鏡頭分辨率的原因是光的衍射現(xiàn)象，即衍射光斑(愛里斑)。分辨率的單位是“線對/毫米“ (lp/mm)。

2. 明銳度(Acutance)：也稱對比度，是指圖像中最亮和最暗的部分的對比度。

3.景深(DOF)：在景物空間中，位于調(diào)焦物平面前后一定距離內(nèi)的景物，還能夠結(jié)成相對清晰的影像。上述位于調(diào)焦物平面前后的能結(jié)成相對清晰影像的景物間之縱深距離，也就是能在實(shí)際像平面上獲得相對清晰影像的景物空間深度范圍，稱為景深。

4. 最大相對孔徑與光圈系數(shù)：相對孔徑，是指該工業(yè)鏡頭的入射光孔直徑(用D表示)與焦距(用f表示)之比，即：相對孔徑=D/ f 。相對孔徑的倒數(shù)稱為光圈系數(shù)(aperture scale)，又稱為f/制光圈系數(shù)或光孔號碼。一般鏡頭的相對孔徑是可以調(diào)節(jié)的，其最大相對孔徑或光圈系數(shù)往往標(biāo)示在工業(yè)鏡頭上，如1:1.2或f/1.2 。如果拍攝現(xiàn)場的光線較暗或曝光時間很短，則需要盡量選擇最大相對孔徑較大的工業(yè)鏡頭。

工業(yè)鏡頭各參數(shù)間的相互影響關(guān)系

一支好的工業(yè)鏡頭，在分辨率、明銳度、景深等方面都有很好的體現(xiàn)，對各種像差的校正也比較好，但同時其價格也會幾倍甚至上百倍的提高。如果我們掌握一些規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)，就可以使用同檔次的工業(yè)鏡頭達(dá)到更好的效果。

1.焦距大小的影響情況

焦距越小，景深越大;

焦距越小，畸變越大;

焦距越小，漸暈現(xiàn)象越嚴(yán)重，使像差邊緣的照度降低;

2. 光圈大小的影響情況

光圈越大，圖像亮度越高;

光圈越大，景深越小;

光圈越大，分辨率越高;

3. 像場中央與邊緣

一般像場中心較邊緣分辨率高

一般像場中心較邊緣光場照度高

4. 光波長度的影響

物體和鏡頭之間距離（W.D）雖然變化，介在前后一定范圍內(nèi)所成像仍然感覺清晰，這個距離范圍補(bǔ)稱為景深。相反的，對應(yīng)于確定的物平面，成像面和鏡頭之間的距離不同，但在一定的范圍內(nèi)圖像仍感覺清晰，稱為焦深。

計(jì)算方式：

景深=F*ε*（1/β）

ε容許彌散園參數(shù)2/3=0.02、1/2=0.015、1/3=0.01、β倍率。

1. 調(diào)焦技術(shù)

對于鏡頭來講，不同物距上的目標(biāo)成像的像距是不同的。對于需要觀察的目標(biāo)，它的成像面不一定與相機(jī)感光面重合，為了得到清晰像，就需要調(diào)整成像面的位置使之與感光面重合，這個過程就是調(diào)焦。

整組移動

這種調(diào)焦方式，就是調(diào)節(jié)過程中整個鏡頭一起前后移動，帶動像面隨之移動，在像面與相機(jī)感光面重合時，成像最清晰。這種整體調(diào)焦方式，不改變鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)，鏡頭焦距沒有變化。

單組移動

還有一種調(diào)焦方式，就是調(diào)節(jié)鏡頭中的某一組透鏡，使它想對于其他透鏡前后移動，也能帶動像面平移，最終使像面與感光面重合，達(dá)到成像清晰。這種調(diào)焦方式，改變了鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)，鏡頭焦距有所變化（一般不大）。

例如，前面的透鏡組對無窮遠(yuǎn)的目標(biāo)成像在Image面上（也是CCD感光面位置），后工作距離L’,現(xiàn)在要對近處目標(biāo)成像，像面位置在Image‘，為了成像清晰需要調(diào)焦。

一種辦法就是整個透鏡組一起相對CCD往前移動，使后工作距離擴(kuò)大到L“，CCD感光面與像面重合，成像清晰。這種辦法就是整組移動式調(diào)焦。

還有一種調(diào)焦辦法：只移動透鏡組中的某一（或幾個一起）單透鏡，也能達(dá)到調(diào)焦的目的。將第四透鏡從位置A向前移動到A‘，對近距離的目標(biāo)來說，成像面也回到與CCD重合的位置，使成像清晰。這種調(diào)焦方式就稱為單組移動式調(diào)焦。

2. 變焦技術(shù)

所謂變焦，指的是鏡頭本身可以通過調(diào)節(jié)，使焦距有較大的變化范圍（通常用焦距變化的倍數(shù)來衡量，例如4倍變焦指最大焦距是最小焦距的4倍）。這種鏡頭使用中，可以通過變焦，改變成像放大倍率（在“大場景“和”局部特寫“之間隨意轉(zhuǎn)換），適應(yīng)性強(qiáng)，使用范圍很廣。

變焦的實(shí)現(xiàn)方式：變焦過程中，通過光學(xué)系統(tǒng)中的兩組（或更多）透鏡相對移動，改變整個系統(tǒng)（鏡頭）的組合焦距，且同時保證像面位置不動，使圖像放大倍率改變而且成像始終清晰。

它與單組移動式調(diào)焦不同的，單組移動式調(diào)焦意在改變成像面的位置（雖然也會引起鏡頭焦距的微小改變）；而變焦意在改變鏡頭的焦距（一般都是數(shù)倍的改變），它要求穩(wěn)定像面不動。

3. 自動光圈

調(diào)節(jié)鏡頭的光圈，實(shí)質(zhì)上是改變了孔徑光闌的孔徑大小，從而改變了進(jìn)光量，達(dá)到成像面亮度調(diào)節(jié)的目的。

這個過程，可以手動完成，也可以通過電機(jī)驅(qū)動來完成，后一種實(shí)現(xiàn)方式就是自動光圈調(diào)節(jié)。

4. 遠(yuǎn)心（焦闌）鏡頭

遠(yuǎn)心光路，一般地，可以分為物方遠(yuǎn)心光路和像方遠(yuǎn)心光路兩種

孔徑光闌位于鏡頭像方焦面上（“焦闌“因此得名），入瞳位于物方無限遠(yuǎn)處，這樣的光路稱為物方遠(yuǎn)心光路。這種光路的特點(diǎn)：物方入射主光線（紅色表示）與光軸平行。

孔徑光闌位于物方焦面上，出瞳位于像方無限遠(yuǎn)處，這樣的光路稱為像方遠(yuǎn)心光路。這種光路的特點(diǎn)是：像方出射主光線（紅色表示）與光軸平行。

這兩種光路本質(zhì)上是相通的，是同一種光路（焦闌）的正向和反向應(yīng)用。它們較多的出現(xiàn)在測量儀器中，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用會表現(xiàn)出格子的特點(diǎn)，需要加以注意。物方遠(yuǎn)心光路的成像特點(diǎn)是：像的大小對物距不敏感，但是對像距很敏感；而像方遠(yuǎn)心光路的成像特點(diǎn)是，像的大小對物距很敏感，但是對像距不敏感。

采用這兩種遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)制作的鏡頭，分別稱作物方或者像方遠(yuǎn)心鏡頭。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工業(yè)鏡頭相關(guān)的基本術(shù)語和定義。 本標(biāo)準(zhǔn)適用于與工業(yè)鏡頭相關(guān)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)制定、文件編制、教材撰寫、書刊編輯和文獻(xiàn)翻譯等。

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