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攝影光學(xué)鏡頭基本知識
光學(xué)鏡頭是機器視覺(jué)系統中必不可少的部件，直接影響成像質(zhì)量的優(yōu)劣，影響算法的實(shí)現和效果。下面是小編為大家分享攝影光學(xué)鏡頭基本知識，歡迎大家閱讀瀏覽。
1 概論
對于相機，鏡頭的好壞一直是影響成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素，數碼相機當然也不例外。雖然由于數碼相機的CCD分辨率有限，原則上對鏡頭的光學(xué)分辨率要求較低;但另一方面，由于數碼相機的成像面積較小(因為數碼相機是成像在CCD上，而CCD的面積較傳統35毫米相機的膠片小很多)，因而需要鏡頭保證一定的成像素質(zhì)。舉例來(lái)說(shuō)，對某一確定的被攝體，水平方向需要200個(gè)像素才能完美再現其細節，如果成像寬度為10mm，則光學(xué)分辨率為20線(xiàn)/mm的鏡頭就能勝任，如果成像寬度為1mm，則要求鏡頭的光學(xué)分辨率必須在2000線(xiàn)/毫米以上。另一方面，傳統膠卷對紫外線(xiàn)比較敏感，外拍時(shí)常需要加裝UV鏡，而CCD對紅外線(xiàn)比較敏感，鏡頭增加特殊的鍍層或外加濾鏡也會(huì )大大提高成像質(zhì)量。鏡頭的物理口徑也是必須要考慮的，且不管其相對口徑如何，其物理口徑越大，光通量就越大，數碼相機對光線(xiàn)的接受和控制就會(huì )更好，成像質(zhì)量也就越好。
商用或家用數碼相機的鏡頭，部分廠(chǎng)家采用了相對比較好的鏡頭。富士相機采用了170線(xiàn)/毫米解析度的專(zhuān)業(yè)富士龍鏡頭，這種內置的新型富士龍鏡頭比大多數SLR鏡頭更清晰。不僅在精度上保證了圖象拍攝的品質(zhì)，而且其鏡頭錯誤率也達到令人驚異的0.3%, 較一般的數碼相機低2/3。
另外在部分數碼相機中，還提供了遠距及廣角兩種鏡頭方式。這在您選擇數碼相機時(shí)，也是一個(gè)參考的指標。
在傳統的數碼相機中，廣角鏡頭是一種焦距短于標準鏡頭、視角大于標準鏡頭、距長(cháng)于魚(yú)眼鏡頭、視角小于魚(yú)眼鏡頭的攝影鏡頭。廣角鏡頭又分為普通廣角鏡頭和超廣角鏡頭兩種。135照相機普通廣角鏡頭的焦距一般為38-24毫米，視角為60-84度;超廣角鏡頭的焦距為20-13毫米，視角為94-118度。由于廣角鏡頭的焦距短，視角大，在較短的拍攝距離范圍內，能拍攝到較大面積的景物。所以，廣泛用于大場(chǎng)面風(fēng)攝影作品的拍攝。在攝影創(chuàng )作中，使用廣角鏡頭拍攝，能獲得以下幾個(gè)方面的效果：一是能增加攝影畫(huà)面的空間縱深感;二是景深較長(cháng)，能保證被攝主體的前后景物在畫(huà)面上均可清晰的再現。所以，現代絕大多數的袖珍式自動(dòng)照相機(俗稱(chēng)傻瓜照相機)采用38-35毫米的普通廣角鏡頭;三是鏡頭的涵蓋面積大，拍攝的景物范圍寬廣;四是在相同的拍攝距離處所拍攝的景物，比使用標準鏡頭所拍攝的景物在畫(huà)面中的影像小;五是在畫(huà)面中容易出現透視變形和影像畸變的缺陷，鏡頭的焦距越短，拍攝的距離越近，這種缺陷就越顯著(zhù)。
商用級的數碼相機中多使用與普通35 mm相機相同的普通廣角鏡頭，由于其在景深深，拍攝范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因而在選擇數碼相機時(shí)，同樣性能的數碼相機，能夠具有廣角和遠距的數碼相機將會(huì )性能更好一些。
2 分類(lèi)
按結構
固定光圈定焦鏡頭
簡(jiǎn)單：鏡頭只有一個(gè)可以手動(dòng)調整的對焦調整環(huán)，左右旋轉該環(huán)可使成像在 CCD靶面上的圖像最清晰;沒(méi)有光圈調整環(huán)，光圈不能調整，進(jìn)入鏡頭的光通量不能通過(guò)改變鏡頭因素而改變，只能通過(guò)改變視場(chǎng)的光照度來(lái)調整。結構簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。
手動(dòng)光圈定焦鏡頭
手動(dòng)光圈定焦鏡頭比固定光圈定焦鏡頭增加了光圈調整環(huán)，光圈范圍一般從F1.2或F1.4到全關(guān)閉，能方便地適應被被攝現場(chǎng)地光照度，光圈調整是通過(guò)手動(dòng)人為進(jìn)行的。光照度比較均勻，價(jià)格較便宜。
自動(dòng)光圈定焦鏡頭
在手動(dòng)光圈定焦鏡頭的光圈調整環(huán)上增加一個(gè)齒輪合傳動(dòng)的微型電機，并從驅動(dòng)電路引出 3或4芯屏蔽線(xiàn)，接到攝像機自動(dòng)光圈接口座上。當進(jìn)入鏡頭的光通量變化時(shí)，攝像機 CCD 靶面產(chǎn)生的電荷發(fā)生相應的變化，從而使視頻信號電平發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)控制信號，傳給自動(dòng)光圈鏡頭，從而使鏡頭內的電機做相應的正向或反向轉動(dòng)，完成調整大小的任務(wù)。
手動(dòng)光圈變焦鏡頭
焦距可變的，有一個(gè)焦距調整環(huán)，可以在一定范圍內調整鏡頭的焦距，其可變比一般為2 ～3倍，焦距一般為3.6~8mm。實(shí)際應用中，可通過(guò)手動(dòng)調節鏡頭的變焦環(huán)，可以方便地選擇被監視地市場(chǎng)的市場(chǎng)角。但是當攝像機安裝位置固定下以后，在頻繁地手動(dòng)調整變焦是很不方便的。因此，工程完工后，手動(dòng)變焦鏡頭的焦距一般很少調整。僅起定焦鏡頭的作用。
自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦鏡頭
與自動(dòng)光圈定焦鏡頭相比增加了兩個(gè)微型電機，其中一個(gè)電機與鏡頭的變焦環(huán)合，當其轉動(dòng)時(shí)可以控制鏡頭的焦距;另一電機與鏡頭的對焦環(huán)合，當其受控轉動(dòng)時(shí)可完成鏡頭的對焦。但是由于增加了兩個(gè)電機且鏡片組數增多，鏡頭的體積也相應增大。
電動(dòng)三可變鏡頭
與自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦鏡頭相比，只是將對光圈調整電機的控制由自動(dòng)控制改為由控制器來(lái)手動(dòng)控制。
按焦距
按視場(chǎng)大小分：小視場(chǎng)鏡頭，普通鏡頭(約50度左右)，廣角鏡頭和特廣角鏡頭(100-120度)
標準鏡頭
視角約50度，也是人單眼在頭和眼不轉動(dòng)的情況下所能看到的視角，所以又稱(chēng)為標準鏡頭。5mm相機的標準鏡頭的焦距多為40mm，50mm或55mm。120相機的標準鏡頭焦距多為80mm或75mm。CCD芯片越大則標準鏡頭的焦距越長(cháng)。
廣角鏡頭
視角90度以上，適用于拍攝距離近且范圍大的景物，又能刻意夸大前景表現強烈遠近感即透視。35mm 相機的典型廣角鏡頭是焦距28mm，視角為72度。120相機的50，40mm的鏡頭便相當于35mm相機的35，28mm的鏡頭.
長(cháng)焦距鏡頭
適于拍攝距離遠的景物，景深小容易使背景模糊主體突出，但體積笨重且對動(dòng)態(tài)主體對焦不易。35mm 相機長(cháng)焦距鏡頭通常分為三級，135mm以下稱(chēng)中焦距，135-500mm稱(chēng)長(cháng)焦距，500mm 以上稱(chēng)超長(cháng)焦距。120 相機的150mm的鏡頭相當于35mm相機的105mm鏡頭。由于長(cháng)焦距的鏡頭過(guò)于笨重，所以有望遠鏡頭的設計，即在鏡頭后面加一負透鏡，把鏡頭的主平面前移，便可用較短的鏡體獲得鏡體獲得長(cháng)焦距的效果。
反射式望遠鏡頭
是另一種超望遠鏡頭的設計，利用反射鏡面來(lái)構成影像，但因設計的關(guān)系無(wú)法裝設光圈，僅能以快門(mén)來(lái)調整曝光。
微距鏡頭(marco lens)
除作極近距離的微距攝影外，也可遠攝。
按接口
C型鏡頭
法蘭焦距是安裝法蘭到入射鏡頭平行光的匯聚點(diǎn)之間的距離。法蘭焦距為17.526mm或0.690in。安裝羅紋為：直徑1in，32牙.in。鏡頭可以用在長(cháng)度為0.512in (13mm)以?xún)鹊木�(xiàn)陣傳感器。但是，由于幾何變形和市場(chǎng)角特性，必須鑒別短焦鏡頭是否合用。如焦距為12.6mm的鏡頭不應該用長(cháng)度大于6.5mm的線(xiàn)陣。如果利用法蘭焦距尺寸確定了鏡頭到列陣的距離，則對于物方放大倍數小于20倍時(shí)需增加鏡頭接圈。接圈加在鏡頭后面，以增加鏡頭到像的距離，以為多數鏡頭的聚焦范圍位 5-10%。鏡頭接長(cháng)距離為焦距/物方放大倍數。
CS型鏡頭
With a 5 mm adapter ring, a C lens can be used on a CS-mount camera.
U型鏡頭
一種可變焦距的鏡頭，其法蘭焦距為47.526mm或1.7913in，安裝羅紋為M42×1。主要設計作35mm照片應用(如國產(chǎn)和進(jìn)口的各種135相機鏡頭)，可用于任何長(cháng)度小于 1.25in(38.1mm)的列陣。建議不要用短焦距鏡頭。
特殊鏡頭
如顯微放大系統。 要特別注意 CS和 C的差別，不同類(lèi)型的camera 和不同類(lèi)型的 Len連接時(shí)，要定制轉接環(huán)。國外很貴，一個(gè)約,不如自己加工。光學(xué)鏡頭的主要參數和評價(jià) 主要參數有焦距，視場(chǎng)，物距，光圈，快門(mén)等。 對于鏡頭最完
善的評價(jià)莫過(guò)于MTF (Modulation Transfer Function)。但是由于像差(標定的原因)，鏡頭的每個(gè)范圍都有一個(gè)MTF值。這些范圍指的是：(1)近軸部分，(2)離軸部分，(3)當光學(xué)系統存在不對稱(chēng)畸變時(shí)，上述兩部分在不同方向上的子部分。每個(gè)部分對于不同的輻射能量波長(cháng)范圍，都有各自相應的MTF值。MTF是評價(jià)成像系統的最常用、最優(yōu)的指標，也是指導機器視覺(jué)系統集成的最優(yōu)指標。
3 參數
聚焦和光圈 景深:被攝體周?chē)m度清晰聚焦的范圍對最終影象的出現起著(zhù)至關(guān)重要的作用。為了充分利用鏡頭上提供的所有光圈，可把照相機固定在三腳架上，以防照相機抖動(dòng)。
f/光圈數和光圈大小
調定在某一f/光圈數時(shí)的任何種類(lèi)的鏡頭能夠透射過(guò)幾乎相同 光量的影象，因為光闌直徑直接與焦距相關(guān)，例如，一只80毫米的鏡頭在使用5毫米的光闌直徑時(shí)，光圈必定調節在f/16上。因此鏡頭的焦距在除以光闌直徑后，就得到相應的f/光圈數。
焦距標記
調節調焦環(huán)螺紋，鏡頭從照相機處伸出，隨著(zhù)調焦環(huán)的轉動(dòng)，通過(guò)放認對準固定參看符號的標記，你就可以發(fā)現正在調節的焦距。
光圈調節
向上轉動(dòng)光圈環(huán)至下一個(gè)f/光圈數(例如從f/4到f/5.6),光圈大小減半(即達到膠片的光量減半);向下轉動(dòng)光圈環(huán)至下一個(gè)f/光圈數(例如從f/4到f/2.8)。光圈大小增加一倍。
景深范圍
隨著(zhù)鏡頭對被攝體聚焦，可在固定參看符號兩邊尋找對應于(或接近)己調定的光圈f/數，辨認焦距標記下相對的數值，便可決定有效景深。
景深的作用
光圈大小的改變：通過(guò)相同焦距的鏡頭對相同距離的被攝體聚焦，該示說(shuō)明光圈大小的調整是如何改變景深的。一般來(lái)說(shuō)，被攝體的前景深擴大1/3，后景深則擴大2/3，光圈越小，景深越大。F/2光圈的景深遠遠小于f/16光圈的景深。
被攝體至照相機的距離：即使采用同樣的焦距和光圈，景深在一定程度上如何受制于被攝體至照相機的距離。被攝體距照相機越近，景深就越小。鏡頭對15英尺(4.5米)處聚焦所產(chǎn)生的景深比鏡頭對5英尺(1.5米)處聚焦所產(chǎn)生的景深要大得多。
鏡頭的改變：在相同物距 和光圈的情況下，使用不同焦距的鏡頭可改變景深，鏡頭焦距越短，最深越大，對于超廣角鏡(8---15毫米)，景深非常大，以致無(wú)需調焦，因為每一級光圈的景深都是清晰。
4 應用
光學(xué)工業(yè)鏡頭廣泛用于反射度極高的物體定位檢測，如：金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，芯片和硅晶片的破損檢測，MARK點(diǎn)定位，玻璃割片機、點(diǎn)膠機、SMT檢測、貼版機等工業(yè)精密對位、定位、零件確認、尺寸測量、工業(yè)顯微等CCD視覺(jué)對位、測量裝置等領(lǐng)域。
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