工业镜头

用于实现光束变换的镜头

工业镜头是用于实现光束变换的镜头。

基础知识

镜头匹配

教大家如何选择合适镜头，镜头选配时需要选择与摄像机接口和CCD的尺寸相匹配的镜头。镜头C和CS的接口方式占主流。小型的安防用的CS接口摄像机得到普及、FA行业则大部分是C接口的摄像机与镜头的组合。对应的CCD尺寸、市场上一般根据用途使用2/3寸到1/3寸的产品。

互换性

C接口镜头可以与C接口摄像机、CS接口摄像机互用；

CS接口镜头不可以应用在C接口摄像机，只可以应用在CS接口摄像机。

KERARE

摄像机如果使用配备小CCD尺寸的镜头，那么周边没有摄取到图像的部分呈现出黑色，我们称其为KERARE。

工业镜头作用

将折射率不同的各种硝材通过研磨，加工成高精度的曲面、把这些镜头进行组合，就是设计镜头。从伽利略时代开始使用的普遍技术是其基本原理。为得到更清晰的图像，一直在研究开发试制新的硝材和非球面镜片。

焦距

焦距是主点到成像面的距离。这个数值决定了摄影范围的不同。数值小，成像面距离主点近，是短焦距镜头。这种情况下的的画角是广角、可拍摄广大的场景。相反的、主点到成像面的距离远时、是长焦距镜头，画角变窄（望远）。

镜头通光量

镜头的明亮度与口径和焦距的变化有关。一般用F值表示镜头的明亮度，另外镜头里有用于调整亮度的光圈构件，可根据使用条件来调整通光量。

镜头计算公式

Y=f*tanθ y：像的大小 f：焦距θ：半画角

θ=2tan-1*y/2f

例：1/2寸摄像机配12.5mm镜头时画面横向的视场面是：

θ=2tan-1*6.4/2*12.5=28.72

镜头的景深

物体和镜头之间距离（W.D）虽然变化，介在前后一定范围内所成像仍然感觉清晰，这个距离范围补称为景深。相反的，对应于确定的物平面，成像面和镜头之间的距离不同，但在一定的范围内图像仍感觉清晰，称为焦深。

计算方式：

景深=F*ε*（1/β）

ε容许弥散园参数2/3=0.02、1/2=0.015、1/3=0.01、β倍率。

工业镜头选择

不同工业镜头的成像质量有着有着千差万别，就算是同一类型的工业镜头也是如此，这主要是由于材质、加工精度和镜片结构的不同等因素造成的，同时也导致不同档次的工业镜头镜头价格从几百元到几万元的巨大差异。比较著名的如四片三组式天塞镜头、六片四组式双高斯镜头。对于镜头设计及生产厂家，一般用光学传递函数OTF (Optical Transfer Function)来综合评价镜头成像质量，光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息，光学系统在传递被摄景物信息时，被传递之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，此函数称为光学传递函数。OTF一般由调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)与位相传递函数PTF(Phase Transfer Function )两部分组成。

像差是影响图像质量的重要方面，常见的像差有如下六种：

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，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角的各光线，不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴上的理想像平面处，形成一弥散光斑(俗称模糊圈)，则此光学系统的成像误差称为球差。

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。当调焦至画面中央处的影像清晰时，画面四周的影像模糊;而当调焦至画面四周处的影像清晰时，画面中央处的影像又开始模糊。

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。色差产生的原因是同一光学玻璃对不同波长的光线的折射率不同，短波光折射率大，长波光折射率小。

畸变：被摄物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。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。这是畸变与球差、慧差、像散、场曲之间的根本区别。

在评价工业镜头质量时一般还会从分辨率、明锐度和景深等几个实用参数判断：

1.分辨率(Resolution)：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，制约工业镜头分辨率的原因是光的衍射现象，即衍射光斑(爱里斑)。分辨率的单位是“线对/毫米“ (lp/mm)。

2. 明锐度(Acutance)：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(DOF)：在景物空间中，位于调焦物平面前后一定距离内的景物，还能够结成相对清晰的影像。上述位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影像的景物间之纵深距离，也就是能在实际像平面上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，是指该工业镜头的入射光孔直径(用D表示)与焦距(用f表示)之比，即：相对孔径=D/ f 。相对孔径的倒数称为光圈系数(aperture scale)，又称为f/制光圈系数或光孔号码。一般镜头的相对孔径是可以调节的，其最大相对孔径或光圈系数往往标示在工业镜头上，如1:1.2或f/1.2 。如果拍摄现场的光线较暗或曝光时间很短，则需要尽量选择最大相对孔径较大的工业镜头。

工业镜头各参数间的相互影响关系

一支好的工业镜头，在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好的体现，对各种像差的校正也比较好，但同时其价格也会几倍甚至上百倍的提高。如果我们掌握一些规律和经验，就可以使用同档次的工业镜头达到更好的效果。

1.焦距大小的影响情况

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. 光圈大小的影响情况

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;

3. 像场中央与边缘

一般像场中心较边缘分辨率高