凸透镜成像原理以及镜头选型

上期我们介绍了机器视觉中的相机选型，本章将从凸透镜成像原理入手介绍镜头选型。

凸透镜主要对光起会聚的作用，平行于主轴的光线经过凸透镜后会聚于主光轴上一点F，这一点是凸透镜的焦点，穿过透镜的光在一倍焦距f和二倍焦距2f之间的可以成清晰的像。物体到凸透镜的距离为物距。在数码相机成像系统中，光线穿过镜头打在CCD图像传感器上，图像传感器到镜头透镜中心的距离就是镜头焦距，被拍摄物体到镜头的距离称为工作距离。

由工作距离，视野范围和相机型号求镜头焦距

已知工作距离d = 1200mm，视野FOV = 300mm*238mm，图像传感器尺寸6.8mm*5.4mm（假设相机型号已知，通过说明书查得传感器尺寸）。

则可以计算镜头焦距，最后选取的镜头焦距可以略小于计算结果，这样可以可以拍摄更大的视野

Basler官网上提供了便利的镜头选型助手，输入视野，工作距离和相机型号，可快速得出推荐的镜头型号，其计算方法与上述的一致。

镜头分辨率

镜头分辨率是指镜头在单位毫米内能够分辨的黑白条纹对数。单位是“线对/毫米”（lp/mm）。

左下是镜头分辨率合格的情况，右下是镜头分辨率较低的情况

一个镜头有它的分辨率N lp/mm，那至少需要配以2N/mm 个空间采样点。这个可以这样来理解，1mm 内有N 条黑白线对，那么就有N 条白线和N 条黑线总共2N 条线。一个CCD对应一条白线或黑线，那么摄像机在1mm 内需要有2N 个CCD来对应N 条白线和N 条黑线，摄像机的CCD密度就是 2N/mm。

下面我们举一个例子

· 有一个2 百万像素摄像机，CCD数量为1600×1200=1920000，图像传感器水平尺寸是6.4mm、垂直尺寸是4.8mm，它的水平CCD密度是1600/6.4=250 pixel/mm，垂直CCD密度是1200/4.8=250 pixel/mm。

（10个，5毫米，每毫米10/5 = 2个）

CCD感光单元是正方形的，所以这里水平CCD密度和垂直CCD密度都是250pixel/mm，所以镜头分辨率应选125 lp/mm。（2个等于1对）

镜头靶面尺寸

镜头的靶面尺寸应不小于相机图像传感器的尺寸，否则将损失图像四周边缘部分的信息。

以上便是工业视觉中相机和镜头的选型介绍。另外，光源在信息采集中也发挥着重要的作用。在架构视觉系统时，需要根据生产环境，产品特征（材质，颜色，摆放角度，焊缝类型等）定制光源。合适的光源可以照亮目标，提高目标亮度，形成有利于图像处理的成像效果，同时，通过选择不同波长的光源（红外，蓝光等）来克服环境光的干扰，保证信息采集的稳定性。良好的光照条件可突出物体的待测部分，降低图像处理的难度，提高系统检测精度，运行速度及工作效率。

（手表划痕检测）

相机和镜头作为视觉系统的采集端，其捕获的“一手信息”的质量将直接影响后续各个流程的处理难度和处理结果，选择合适的采集设备是提高系统精度和效率的重要一步。

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