一文認(rèn)識(shí)機(jī)器視覺(jué)鏡頭

鏡頭在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)光束調(diào)制并完成信號(hào)傳遞。鏡頭質(zhì)量的好壞直接影響到機(jī)器視覺(jué)的整體性能，合理選擇光學(xué)鏡頭是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，鏡頭類型包括:標(biāo)準(zhǔn)、遠(yuǎn)心、廣角、近攝和遠(yuǎn)攝等，選擇依據(jù)一般是根據(jù)相機(jī)接口、拍攝物距、拍攝范圍、CCD尺寸、畸變?cè)试S范圍、放大率、焦距和光圈等。

一、光學(xué)元件介紹

光學(xué)透鏡組：機(jī)器視覺(jué)鏡頭中的透鏡通常不是單一的，而是由多個(gè)透鏡組合而成，形成光學(xué)透鏡組。這些透鏡可以是凸透鏡、凹透鏡或其他類型的透鏡，它們通過(guò)精確的組合和排列，能夠矯正各種像差，提高成像質(zhì)量。

彎月透鏡：彎月透鏡是一種特殊形狀的透鏡，其表面呈彎曲狀，類似于月亮的形狀。這種透鏡在機(jī)器視覺(jué)鏡頭中常用于矯正像差，特別是在需要較大視場(chǎng)角或較小畸變的場(chǎng)合。例如，在某些4mm定焦機(jī)器視覺(jué)鏡頭中，就采用了正光彎月透鏡來(lái)提高成像質(zhì)量。

雙凸透鏡：雙凸透鏡是指兩面都向外凸起的透鏡。這種透鏡對(duì)光線具有強(qiáng)會(huì)聚作用，常用于需要較強(qiáng)光線聚焦的場(chǎng)合。在雙遠(yuǎn)心鏡頭中，就通過(guò)合理設(shè)計(jì)雙凸透鏡組和透鏡間隔，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平行光的接收和聚焦，從而解決了視差帶來(lái)的檢測(cè)精度問(wèn)題。 

雙凹透鏡：與雙凸透鏡相反，雙凹透鏡的兩面都向內(nèi)凹陷。這種透鏡對(duì)光線具有發(fā)散作用，常用于需要擴(kuò)大視野或減小焦距的場(chǎng)合。

平凸透鏡和平凹透鏡：平凸透鏡的一面是平面，另一面是凸面；而平凹透鏡的一面是平面，另一面是凹面。這兩種透鏡在機(jī)器視覺(jué)鏡頭中常用于調(diào)整光線的聚焦和發(fā)散程度，以滿足不同的成像需求。

膠合透鏡：膠合透鏡是由兩個(gè)或多個(gè)不同材料的透鏡通過(guò)膠合而成的。這種透鏡能夠矯正色差，提高成像質(zhì)量。在機(jī)器視覺(jué)鏡頭中，膠合透鏡常用于對(duì)色彩還原要求較高的場(chǎng)合。

性能參數(shù)

機(jī)器視覺(jué)鏡頭的性能參數(shù)主要包括焦距、光圈、景深、畸變、分辨率等。這些參數(shù)共同決定了鏡頭的成像質(zhì)量和適用范圍。

焦距：決定了鏡頭的視場(chǎng)大小，即相機(jī)能夠捕捉到的圖像范圍。焦距越長(zhǎng)，視場(chǎng)越窄，圖像放大倍數(shù)越大；焦距越短，視場(chǎng)越寬，圖像放大倍數(shù)也越小。

光圈：鏡頭中的一個(gè)可調(diào)節(jié)孔徑，用來(lái)控制通過(guò)鏡頭的光線數(shù)量。光圈大小可以調(diào)節(jié)景深（即成像清晰范圍），影響圖像的亮度和成像的質(zhì)量。光圈越大，進(jìn)光量越多，景深越淺；光圈越小，進(jìn)光量越少，景深越深。

景深：指鏡頭對(duì)焦的深度范圍，即拍攝物體側(cè)的距離范圍。范圍較大時(shí)稱為深景深，相反范圍較小時(shí)稱為淺景深。

畸變：指鏡頭成像時(shí)產(chǎn)生的圖像變形現(xiàn)象，需要通過(guò)鏡頭設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。

分辨率：指鏡頭能夠分辨的最小間距，用來(lái)衡量鏡頭成像的清晰度。分辨率越高，鏡頭的成像質(zhì)量越好。

機(jī)器視覺(jué)鏡頭在機(jī)器視覺(jué)的作用

機(jī)器視覺(jué)鏡頭主要體現(xiàn)在通過(guò)將目標(biāo)圖像聚焦在圖像采集卡或處理器中，以便于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解。

1. 改善圖像質(zhì)量：機(jī)器視覺(jué)鏡頭可以通過(guò)改變鏡頭的焦距來(lái)調(diào)整圖像的尺寸，從而適應(yīng)不同的物體距離。同時(shí)，通過(guò)選擇合適的鏡頭和光圈組合，可以增強(qiáng)圖像的對(duì)比度和色彩飽和度，改善圖像質(zhì)量。

2. 實(shí)現(xiàn)精確對(duì)位：在機(jī)器人視覺(jué)應(yīng)用中，機(jī)器視覺(jué)鏡頭能夠幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)位精度的提升。通過(guò)選擇合適的鏡頭焦距和拍攝角度，可以減小誤差，提高機(jī)器人對(duì)位的準(zhǔn)確性。

3. 提高識(shí)別精度：機(jī)器視覺(jué)鏡頭可以通過(guò)提高圖像的清晰度和對(duì)比度，幫助機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)更準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)物體。同時(shí)，通過(guò)選擇合適的鏡頭類型和拍攝距離，可以適應(yīng)不同場(chǎng)景下的拍攝需求，提高識(shí)別精度。

主要特點(diǎn)

機(jī)器視覺(jué)鏡頭具備以下主要特點(diǎn)：

高分辨率：以便于捕捉到更多的圖像信息。

大倍率：能夠放大拍攝物體，以便在拍攝遠(yuǎn)距離的物體時(shí)也能夠獲得清晰的圖像。

適應(yīng)性強(qiáng)：能夠適應(yīng)各種環(huán)境和工作條件，包括不同的光線條件、被拍攝物體的顏色和形狀等。

自動(dòng)對(duì)焦和自動(dòng)調(diào)焦功能：以確保在拍攝過(guò)程中能夠獲得最佳的圖像質(zhì)量。

低色散和低色散失：以確保在光譜范圍內(nèi)能夠獲得清晰、無(wú)畸變的圖像。

光源均勻：以避免鏡頭本身造成圖像失真或模糊。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

分類與選型

機(jī)器視覺(jué)鏡頭根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以分為不同的類型，通常需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的類型，如定焦鏡頭、變焦鏡頭等，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求；在選擇鏡頭時(shí)，還需要考慮像差、畸變等因素對(duì)成像質(zhì)量的影響。這些因素共同決定了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的視覺(jué)效果和性能。

定焦鏡頭：焦距固定不可調(diào)節(jié)，適用于對(duì)成像質(zhì)量要求較高且焦距變化不大的應(yīng)用場(chǎng)景。

變焦鏡頭：焦距可調(diào)節(jié)，操作靈活，適用于需要頻繁調(diào)整焦距的應(yīng)用場(chǎng)景。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

應(yīng)用場(chǎng)景

工業(yè)自動(dòng)化：用于自動(dòng)化生產(chǎn)線的產(chǎn)品檢測(cè)、定位、識(shí)別和測(cè)量等。

醫(yī)療影像：用于醫(yī)療設(shè)備的成像、診斷和治療等。

交通監(jiān)控：用于交通路口的監(jiān)控、車輛識(shí)別和違章抓拍等。

航空航天：用于飛行器的導(dǎo)航、制導(dǎo)和監(jiān)控等。

科學(xué)研究：用于物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究和觀測(cè)等。

使用與維護(hù)

在使用機(jī)器視覺(jué)鏡頭時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

正確安裝：確保鏡頭在正確的方式下安裝到相機(jī)上，并正確調(diào)整鏡頭與相機(jī)之間的距離，以便獲得清晰的目標(biāo)圖像。

防止污染：避免灰塵和濕氣進(jìn)入鏡頭，以防止鏡頭內(nèi)部部件被污染或損壞。在環(huán)境條件惡劣的情況下使用時(shí)，需要做好相應(yīng)的防護(hù)措施。

定期檢查：定期檢查鏡頭是否清潔，透鏡是否松動(dòng)，光源是否正常工作等，以確保鏡頭性能的穩(wěn)定性和可靠性。

遵循使用說(shuō)明：不同的鏡頭有不同的使用條件和注意事項(xiàng)，需要遵循廠商的使用說(shuō)明，以確保鏡頭的安全和性能。

綜上所述，機(jī)器視覺(jué)鏡頭作為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心部件之一，其性能和質(zhì)量直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和應(yīng)用效果。因此，在選擇和使用機(jī)器視覺(jué)鏡頭時(shí)，需要充分考慮其性能參數(shù)、特點(diǎn)、分類以及應(yīng)用場(chǎng)景等因素，以確保系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。