機(ji)器(qi)視覺(jue)系統(tong)中，鏡(jing)頭(tou)(tou)作為機(ji)器(qi)的(de)眼睛，其主要作用是將目標(biao)物(wu)體的(de)圖(tu)(tu)像(xiang)聚焦(jiao)在圖(tu)(tu)像(xiang)傳(chuan)感器(qi)（相機(ji)）的(de)光敏器(qi)件上。數(shu)據系統(tong)所處理的(de)所有(you)圖(tu)(tu)像(xiang)信息均需要通(tong)過鏡(jing)頭(tou)(tou)得到，鏡(jing)頭(tou)(tou)的(de)質量直接影響到視覺(jue)系統(tong)的(de)整體性(xing)能(neng)。

1. 焦距（EFL）：透(tou)鏡中心到像方焦點(dian)的(de)距(ju)離。

光(guang)(guang)學(xue)系統(tong)中的(de)焦距(ju)用來衡量光(guang)(guang)學(xue)系統(tong)匯聚或發散光(guang)(guang)線的(de)能力。

焦距示意圖

2. 光圈數（F.No）：焦距（EFL）與入瞳（D，光圈在物方(fang)空(kong)間的(de)像）的(de)比值(zhi)，即F.No=EFL/D。

F. No數的(de)(de)大小(xiao)是如何(he)對畫面亮(liang)度(du)、景深及裝配靈敏度(du)產(chan)生影響的(de)(de)呢？

畫面亮度

F.No數的大小(xiao)決定進(jin)入光(guang)(guang)學系(xi)統能(neng)量的多少(shao)。F.No越(yue)大，進(jin)入光(guang)(guang)學系(xi)統的光(guang)(guang)線越(yue)少(shao)，畫面(mian)越(yue)暗；F.No越(yue)小(xiao)，進(jin)入光(guang)(guang)學系(xi)統的光(guang)(guang)線越(yue)多，畫面(mian)越(yue)亮。如(ru)下圖(tu)所(suo)示：

注:此(ci)項默認相機(ji)曝光時間(jian)、增益(yi)等參數恒定。

景深

在其它所(suo)有(you)參數(shu)保持一致(zhi)的前提下，F.No越大，景深越大；F.No越小，景深越小。

裝配靈敏度

F.No越(yue)(yue)大，圖像對安(an)裝傾(qing)斜的(de)靈(ling)敏度低，越(yue)(yue)易(yi)于裝配；F.No越(yue)(yue)小，圖像對安(an)裝傾(qing)斜的(de)靈(ling)敏度高，越(yue)(yue)不易(yi)于裝配。

3.畸變（Distortion）：光學系統中(zhong)，由于(yu)光學透鏡固有的透視失真導致實際成像相對(dui)于(yu)被(bei)攝物體的失真程度。

光學畸變指的是物體經過光學系(xi)統所成的像對(dui)于物體本身(shen)而言的失(shi)真程度(du)。

光學畸變計算方法：

OP.Dist(%)=(實(shi)際像(xiang)高－理想(xiang)像(xiang)高)/理想(xiang)像(xiang)高 × 100%

TV畸變指的是實際拍攝(she)圖像時，像的變(bian)形程度。

TV畸變計算方法：

TV.Dist(%)=(H1 - H2)/H 

TV畸(ji)變(bian)(bian)可分為(wei)枕形(xing)畸(ji)變(bian)(bian)和(he)桶(tong)形(xing)畸(ji)變(bian)(bian)，對(dui)角線向(xiang)外延長(chang)的(de)變(bian)(bian)形(xing)（畸(ji)變(bian)(bian)值為(wei)正）稱作枕形(xing)畸(ji)變(bian)(bian)，反之，對(dui)角線向(xiang)內(nei)縮短(duan)的(de)變(bian)(bian)形(xing)（畸(ji)變(bian)(bian)值為(wei)負負）稱作桶(tong)形(xing)畸(ji)變(bian)(bian)。

4.視場角（Field of View）：鏡頭(tou)在感(gan)光元(yuan)器(qi)件上所能(neng)看到的空間角(jiao)度范圍(wei)，即光學系統入瞳(tong)(tong)中(zhong)(zhong)心對(dui)物的張(zhang)角(jiao)或出瞳(tong)(tong)中(zhong)(zhong)心對(dui)像(xiang)的張(zhang)角(jiao)。

視場角(jiao)與焦距(EFL)的關系(xi)：

若Y為Sensor的半(ban)對(dui)角(jiao)(jiao)線長度，在不考慮光(guang)學(xue)系統畸變(bian)的前提下(xia)，對(dui)角(jiao)(jiao)線視場角(jiao)(jiao)（2θ）=2*arctan(Y/EFL)，如(ru)下(xia)圖所(suo)示(shi)：

注(zhu)：視場角與鏡(jing)頭焦距、Sensor靶面大小和鏡(jing)頭畸變有(you)關：

a.鏡頭焦距相同的情況(kuang)下，Sensor靶面越大,視場(chang)角(jiao)越大；

b.Sensor靶面相同(tong)的情(qing)況下(xia)，鏡頭焦距越(yue)小,視場角越(yue)大(da)；

c. 鏡(jing)頭焦距和(he)Sensor靶面都相同的情(qing)況下(xia),枕形(負)畸(ji)變越(yue)大(da),視場角越(yue)大(da)。

5.清晰度（Resolution）:辨率和反差(cha)綜合表現的結果(guo)。

分辨率又稱分辨(bian)(bian)力(li)(li)、解析力(li)(li)、鑒別率、解析度，指(zhi)的(de)是鏡(jing)頭清(qing)晰的(de)再(zai)現(xian)被攝景物細節的(de)能(neng)力(li)(li)，分辨(bian)(bian)率越(yue)高的(de)鏡(jing)頭，拍(pai)攝的(de)圖(tu)像越(yue)清(qing)晰細膩。

清晰度也可以用(yong)像面上鏡頭在(zai)單位(wei)MM內能(neng)夠(gou)分(fen)辨(bian)的(de)線(xian)對(dui)數表(biao)示(shi)，單位(wei)是(shi)LP/MM，能(neng)夠(gou)分(fen)辨(bian)的(de)線(xian)對(dui)數越多，代表(biao)鏡頭分(fen)辨(bian)率越高。

反差即對比度，用(yong)來形容(rong)圖像最亮處和最暗處的(de)差(cha)別；用(yong)MTF（ModulationTransfer Function調制傳遞函(han)數(shu)）來表示，MTF描(miao)述(shu)的(de)是光學成(cheng)像系統對(dui)各頻率(lv)分量對(dui)比度的(de)傳遞特(te)性。

其中I’max和I’min表示像的最大和最小灰度值，Imax和Imin表(biao)示物的(de)最(zui)大和最(zui)小灰(hui)度值(zhi)。

很明顯，調(diao)制度(du)介于(yu)0和1之(zhi)間，調(diao)制度(du)M越高，意味著反差越大(da)；當(dang)圖(tu)像中(zhong)的(de)最(zui)大(da)亮度(du)和最(zui)小亮度(du)相等，反差完全消(xiao)失，此(ci)時調(diao)制度(du)為(wei)0。

下(xia)圖為分辨率為10LP/MM，MTF在0.05~0.4之(zhi)間(jian)的對比圖片，從下(xia)圖可(ke)以看出(chu)，人(ren)眼可(ke)接受的最小可(ke)分辨的MTF數(shu)值在0.15~0.2之(zhi)間(jian)。

MTF如(ru)何影響到(dao)鏡(jing)頭的整體成像效(xiao)果(guo)？

低頻(pin)率時的(de)MTF值決(jue)定(ding)了圖像(xiang)的(de)對比度，高頻(pin)率時的(de)MTF值決(jue)定(ding)了圖像(xiang)的(de)分辨力，MTF的(de)優(you)劣直(zhi)接影響到(dao)鏡頭的(de)整體成(cheng)像(xiang)效果，如下圖：

A曲線: 曲線平滑(hua)下降,說(shuo)明圖(tu)(tu)像(xiang)的解(jie)像(xiang)力和對比度均達到了較好的水平，見(jian)A圖(tu)(tu);

B曲線: 低頻(pin)率時的(de)(de)MTF值持續很(hen)(hen)高(gao),說明圖像(xiang)(xiang)的(de)(de)對比度很(hen)(hen)好；但是高(gao)頻(pin)率時的(de)(de)MTF很(hen)(hen)低，說明圖像(xiang)(xiang)的(de)(de)解像(xiang)(xiang)力較差(cha)，見B圖；

C曲(qu)線(xian): 低頻率時的MTF值下降較(jiao)快，說明圖像(xiang)對比度較(jiao)差(cha);高頻時的MTF較(jiao)B曲(qu)線(xian)高，說明圖像(xiang)解像(xiang)力效(xiao)果比B好，見(jian)C圖；

6. 相對照度（Relative Illumination）：圖像(xiang)邊(bian)緣亮(liang)度與中心亮(liang)度的(de)比值(zhi)。Sensor表面不同位(wei)置的(de)照度的(de)大小(xiao)與該處入(ru)(ru)射于像(xiang)面的(de)光(guang)線入(ru)(ru)射角(jiao)的(de)Cosin四次(ci)方成正(zheng)比。

7. 景深（Depth of Field）：能夠在像(xiang)平面上呈(cheng)現清(qing)晰的(de)(de)像(xiang)的(de)(de)物方空(kong)間深度(du)范圍。

那么(me)景深是如何(he)計(ji)算的？又和哪些因素(su)有關呢？

可成(cheng)清晰像(xiang)的最遠(yuan)的物平(ping)面(mian)(mian)(mian)稱(cheng)為(wei)(wei)遠(yuan)景平(ping)面(mian)(mian)(mian)，它與對準平(ping)面(mian)(mian)(mian)的距離成(cheng)為(wei)(wei)后(hou)(hou)景深(shen)△L1；能成(cheng)清晰像(xiang)的最近物平(ping)面(mian)(mian)(mian)稱(cheng)為(wei)(wei)近景平(ping)面(mian)(mian)(mian)，它與對準平(ping)面(mian)(mian)(mian)的距離稱(cheng)為(wei)(wei)前景深(shen)△L2；景深(shen)=前景深(shen)+后(hou)(hou)景深(shen)，如下圖所(suo)示：

前景深 ΔL1= FδL2/ （f2 + FδL）
后景深 ΔL2= FδL2/ （f2 - FδL）
景深 ΔL =ΔL1+ΔL2=2f2FδL2/（ f 4- F2δ2L2）
δ——容許彌散圓直徑
f——鏡頭焦距
F——鏡頭的拍攝光圈值
L——對焦距離
ΔL1—— 前景深
ΔL2——后景深
ΔL——景深

由景深計(ji)算公式可以看出，景深與鏡(jing)頭(tou)使用的(de)F.No 、 f焦距、拍攝距離以及對圖像質(zhi)量(liang)的(de)要(yao)求(qiu)(表現為容(rong)許彌(mi)散圓(yuan)的(de)大小)有關。

這些主要(yao)因素(su)對景深的(de)影響如下（假定其他的(de)條件都不改變）：

a. 鏡頭光(guang)圈(quan)：

    光圈(quan)越(yue)大，景深(shen)越(yue)小(xiao)；光圈(quan)越(yue)小(xiao)，景深(shen)越(yue)大；

b. 鏡頭焦距:

    鏡頭(tou)焦距(ju)越(yue)長，景(jing)深越(yue)小；焦距(ju)越(yue)短，景(jing)深越(yue)大；

c. 拍攝距離:

距(ju)離(li)(li)越遠，景深越大；距(ju)離(li)(li)越近，景深越小。

8. 放大倍率（Magnification）：像高和物高的大小之比。

放(fang)大倍率的(de)計算方法：

9. 靶面大小（Max Image Circle）：感光元器件對角線尺寸(cun)。

10. 鏡頭接口（Mount）：

C接口是工業鏡頭最為(wei)常用的(de)一(yi)種接(jie)口，其法(fa)蘭距(ju)(ju)(法(fa)蘭面(mian)距(ju)(ju)離感(gan)光芯片的(de)距(ju)(ju)離)為(wei)17.526mm，螺(luo)紋(wen)規格(ge):直徑1英寸，螺(luo)距(ju)(ju)1-32UNF；

CS接口是監控行業較為(wei)常用(yong)的一種接(jie)口，其法(fa)蘭(lan)距(ju)(法(fa)蘭(lan)面距(ju)離(li)感光芯片的距(ju)離(li))為(wei)12.526mm，螺(luo)紋規格：直徑1英(ying)寸，螺(luo)距(ju)1-32UNF；

從(cong)下圖來直觀地(di)了解C接口與CS接口區別：

a. C接口的相機(ji)不能(neng)搭配CS接口的鏡(jing)頭使用，會導致圖像不清晰；

b. CS接口的相機(ji)可以搭配C接(jie)口的鏡頭使用，但是要使用5mm轉接(jie)圈才能正常(chang)聚焦(jiao)；

F接口是一種卡口型接口,法蘭距(ju)46.5mm，最(zui)早由Nikon為其35mm式相機(ji)而開(kai)發。目前較多的應用在大靶面相機(ji)和線(xian)掃描(miao)相機(ji)上，使用此接口,鏡頭可(ke)輕松安裝(zhuang)和拆(chai)卸；

M接口是(shi)一種螺(luo)紋接(jie)(jie)口,通常用于替換較(jiao)大靶(ba)面相機的F接(jie)(jie)口，由接(jie)(jie)口直(zhi)徑(42mm、58mm、72mm等)、螺(luo)距(0.75mm、1mm等)和法(fa)蘭距定義,種類較(jiao)多(duo)；

S接(jie)口是M接(jie)口的一種(zhong)，規格：螺(luo)紋直(zhi)徑12mm，螺(luo)距0.5mm。