傳感器的尺寸

       為(wei)工業相機(ji)(ji)選擇合適的(de)鏡頭需要(yao)了解傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)兼(jian)容性。本文描(miao)述(shu)的(de)與各種特定尺寸(cun)傳(chuan)感(gan)器(qi)兼(jian)容的(de)鏡頭接口(kou)設計。通(tong)過將(jiang)適當鏡頭與傳(chuan)感(gan)器(qi)相匹配(pei)，相機(ji)(ji)可以捕獲(huo)完整的(de)圖像，而(er)不會出現任何暈影(ying)(ying)。下圖可以看到一個暈影(ying)(ying)示例(li)，其(qi)中相機(ji)(ji)對咖啡杯進(jin)行(xing)成像，但較大的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)產生了專為(wei)較小傳(chuan)感(gan)器(qi)尺寸(cun)而(er)設計的(de)鏡頭投射(she)的(de)陰影(ying)(ying)。

咖啡杯圖像上的暈影  

       相機的傳感器尺寸決定了相機的裁切系數。通過選擇特定的焦距并更換相機以使用不同尺寸的傳感器，隨著傳感器尺寸減小，圖像將會越來越大。圖中可以看到這一點，其中全畫幅35mm傳感器代表全尺寸圖像，傳感器尺寸一直減小至?”傳感器，該圖像會繼續放大。減小傳感器尺寸后，圖像會應用裁切系數，這類似于鏡頭如何增加焦距進行放大。因此，較小的傳感器將需要更寬的FoV來捕捉完整的目標，或者需要相機保持一定的物理距離，直到畫幅內出現完整的目標。  

       傳感(gan)(gan)器尺(chi)寸(cun)多(duo)種多(duo)樣性只是(shi)(shi)代(dai)表可用于(yu)各(ge)種視(shi)覺系統(tong)可能采(cai)用的(de)(de)鏡(jing)(jing)(jing)頭數量。由于(yu)每種類型(xing)的(de)(de)傳感(gan)(gan)器都有各(ge)種兼容的(de)(de)鏡(jing)(jing)(jing)頭，因(yin)此重要的(de)(de)是(shi)(shi)了解(jie)鏡(jing)(jing)(jing)頭可能對整個視(shi)覺系統(tong)造(zao)成的(de)(de)額外(wai)成本(ben)。一個小型(xing)傳感(gan)(gan)器可配備一個價(jia)格(ge)合(he)理(li)的(de)(de)定(ding)焦鏡(jing)(jing)(jing)頭，由于(yu)移動(dong)部件(jian)更小更少，這種定(ding)焦鏡(jing)(jing)(jing)頭的(de)(de)價(jia)格(ge)范圍通(tong)常(chang)比較(jiao)低。然而(er)(er)，與相機內(nei)傳感(gan)(gan)器的(de)(de)尺(chi)寸(cun)相比，鏡(jing)(jing)(jing)頭的(de)(de)價(jia)格(ge)通(tong)常(chang)會成比例增加(jia)。對于(yu)中畫(hua)幅傳感(gan)(gan)器而(er)(er)言，分辨率(lv)會很高，因(yin)此所需(xu)光學元件(jian)需(xu)要達到非常(chang)高的(de)(de)質量，從而(er)(er)大(da)(da)大(da)(da)增加(jia)系統(tong)成本(ben)。

光 圈 

       根據圖像需要聚焦的程度，光圈可能需要進行調節。光圈開口越大，相機可以為傳感器提供更多的光線。但是，這會導致DoF變淺，從而減小最遠和最近對焦目標之間的距離。反之亦然，光圈開口縮小會導致光線通過一個窄孔，并增加景深，從而使相機拍攝到的圖像中有更多的聚焦區域。光圈用f-stop值表示。f-stop可能是F1.4、F2、F5.6、F11、F16、F22，以及許多其他可能值。f-stop值表示光圈在鏡頭內的閉合或打開程度。該值較高（例如F22）表示光圈較小甚至幾乎關閉，而該值較低（例如F5）則表示光圈打開的范圍較大。 

大光圈（左）和小(xiao)光圈（右）對比

光學像差

       成像(xiang)(xiang)時會(hui)出(chu)現多種類型(xing)的光學像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)(cha)(cha)。光學元件沒(mei)(mei)有正確對(dui)齊，或者沒(mei)(mei)有采取某些步驟來確保適當成像(xiang)(xiang)時，光學像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)(cha)(cha)可(ke)(ke)(ke)能(neng)會(hui)導致圖像(xiang)(xiang)出(chu)現各種類型(xing)的問題(ti)。在某些情況(kuang)下，光學像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)(cha)(cha)并(bing)不是一件壞事。使用(yong)(yong)廣角鏡頭(tou)，FoV會(hui)更(geng)寬，這(zhe)種情況(kuang)所帶來的優(you)點(dian)可(ke)(ke)(ke)能(neng)比(bi)圖像(xiang)(xiang)邊緣出(chu)現的像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)(cha)(cha)更(geng)重(zhong)要。消除光學像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)(cha)(cha)可(ke)(ke)(ke)能(neng)成本(ben)很(hen)高。使用(yong)(yong)可(ke)(ke)(ke)校正所有可(ke)(ke)(ke)能(neng)像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)(cha)(cha)的鏡頭(tou)構建一個理想(xiang)的視覺系統會(hui)大大增加成本(ben)。

白色(se)網格線的桶形失真顯(xian)示了廣(guang)角鏡頭(tou)扭曲對(dui)圖像的影響

       球(qiu)差(cha)是(shi)另一(yi)種(zhong)常見的像差(cha)類型，會(hui)導(dao)致(zhi)圖像邊緣模糊(hu)。出現(xian)球(qiu)差(cha)的原因在于(yu)大多數(shu)鏡頭光學元件是(shi)球(qiu)形形狀，導(dao)致(zhi)光線沿光軸聚焦在不同的點上(shang)。下圖可以看到這一(yi)點，底部(bu)(bu)的圖表顯示由于(yu)球(qiu)差(cha)導(dao)致(zhi)出現(xian)多個焦點，頂部(bu)(bu)顯示修復像差(cha)使用的非球(qiu)面鏡頭。

用多(duo)焦點描述球差

不同鏡頭的應用

       市場上有(you)各種各樣的鏡(jing)頭(tou)(tou)，根(gen)據具體的成像應(ying)用(yong)，每種鏡(jing)頭(tou)(tou)都(dou)有(you)非常特(te)定的用(yong)途。與傳感(gan)器兼容的光圈(quan)、焦距(ju)(ju)和(he)裁切系(xi)數等因(yin)素(su)都(dou)會影(ying)響(xiang)鏡(jing)頭(tou)(tou)對應(ying)用(yong)的適用(yong)性(xing)。特(te)別(bie)對于(yu)(yu)焦距(ju)(ju)而言，在(zai)需(xu)要寬FoV的應(ying)用(yong)中，通常選(xuan)擇使用(yong)廣角(jiao)鏡(jing)頭(tou)(tou)。對于(yu)(yu)視覺(jue)系(xi)統本(ben)身和(he)/或相機(ji)可能(neng)(neng)與目標有(you)很大距(ju)(ju)離的其他應(ying)用(yong)，長焦鏡(jing)頭(tou)(tou)可能(neng)(neng)是最佳選(xuan)擇。

航空成像

       航(hang)空成(cheng)像是(shi)一種獨特的(de)應(ying)(ying)用(yong)(yong)，可(ke)以使用(yong)(yong)許(xu)多(duo)不同類(lei)型的(de)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)。選擇航(hang)空成(cheng)像鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)的(de)關(guan)鍵是(shi)了解地面采樣距離（GSD）。GSD與搭載有視覺系(xi)統的(de)飛行器(qi)的(de)高度有直(zhi)接(jie)關(guan)系(xi)。然而，在海(hai)拔較(jiao)高的(de)應(ying)(ying)用(yong)(yong)中，較(jiao)長焦(jiao)距的(de)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)（例(li)如長焦(jiao)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)）可(ke)能(neng)是(shi)最好的(de)類(lei)型。長焦(jiao)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)的(de)優勢(shi)在于(yu)能(neng)夠(gou)縮小目標主體并能(neng)夠(gou)獲得更(geng)(geng)遠目標的(de)更(geng)(geng)多(duo)細(xi)節。在海(hai)拔較(jiao)低的(de)成(cheng)像應(ying)(ying)用(yong)(yong)中，使用(yong)(yong)廣(guang)角(jiao)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)（例(li)如17mm鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)）可(ke)能(neng)更(geng)(geng)合(he)適，以便能(neng)夠(gou)更(geng)(geng)好地捕捉更(geng)(geng)多(duo)環境，無需增加相機(ji)的(de)高度。

一個2000萬(wan)像素相(xiang)機(ji)和兩個900萬(wan)像素相(xiang)機(ji)視野寬度(du)對比

激光束輪廓測量

       激光輪(lun)廓(kuo)測(ce)量是(shi)成像(xiang)應(ying)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)其(qi)中一個示例(li)，在(zai)(zai)這種類型的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)中，使(shi)用(yong)(yong)不搭載任(ren)(ren)(ren)何(he)(he)鏡頭的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)機可(ke)能更切(qie)實可(ke)行(xing)。因(yin)為(wei)添加玻(bo)(bo)璃(li)（例(li)如相(xiang)(xiang)機鏡頭）會產生光吸(xi)收和反射問(wen)題。在(zai)(zai)激光束(shu)輪(lun)廓(kuo)測(ce)量中，分辨率(lv)(lv)是(shi)關鍵要素，因(yin)為(wei)激光束(shu)輪(lun)廓(kuo)在(zai)(zai)通過相(xiang)(xiang)機玻(bo)(bo)璃(li)時發(fa)(fa)生任(ren)(ren)(ren)何(he)(he)變化都會產生主動(dong)錯誤信息。捕捉激光束(shu)輪(lun)廓(kuo)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)是(shi)了解(jie)從光源發(fa)(fa)出的(de)(de)(de)光分布的(de)(de)(de)均(jun)勻(yun)度。因(yin)此，任(ren)(ren)(ren)何(he)(he)改變光（穿(chuan)過材料（甚至玻(bo)(bo)璃(li)））強度或方向的(de)(de)(de)可(ke)能性都會導致圖像(xiang)的(de)(de)(de)有效(xiao)分辨率(lv)(lv)降(jiang)低。為(wei)了確保拍攝(she)激光束(shu)輪(lun)廓(kuo)測(ce)量的(de)(de)(de)準確圖像(xiang)，必須(xu)考慮(lv)相(xiang)(xiang)機內部沒有任(ren)(ren)(ren)何(he)(he)玻(bo)(bo)璃(li)（包括傳感器(qi)玻(bo)(bo)璃(li)）。

激光(guang)束(shu)輪廓測量

監控

       對于監控和安全應(ying)用(yong)(yong)，相機(ji)通常配(pei)(pei)備焦距較小的(de)廣角鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)。在(zai)監控環境(jing)時(shi)可(ke)以(yi)捕獲更(geng)(geng)寬(kuan)的(de)FoV。如果使用(yong)(yong)較窄的(de)FoV，則需要增(zeng)設相機(ji)來替代廣角鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)的(de)FoV。CS-接(jie)口(kou)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)通常用(yong)(yong)于監控，但可(ke)能也可(ke)以(yi)選(xuan)擇C-接(jie)口(kou)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)。C接(jie)口(kou)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)也可(ke)以(yi)與CS-接(jie)口(kou)相機(ji)搭配(pei)(pei)使用(yong)(yong)，從而(er)創造更(geng)(geng)多(duo)成像可(ke)能性。但必須考慮相機(ji)的(de)高度(du)，因(yin)為在(zai)嘗(chang)試使用(yong)(yong)更(geng)(geng)寬(kuan)的(de)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)識別圖(tu)像數據時(shi)，更(geng)(geng)高的(de)高度(du)可(ke)能會面(mian)臨一定的(de)問題。在(zai)這(zhe)些(xie)情況下，利用(yong)(yong)更(geng)(geng)長的(de)焦距更(geng)(geng)好(hao)地(di)放大感興(xing)趣的(de)主體可(ke)能很重要。

智能交通系統（ITS）

       對于交(jiao)通成像(xiang)等需要將相(xiang)機(ji)(ji)安(an)裝在被成像(xiang)區(qu)域(yu)上方高(gao)(gao)處的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)（例如，在高(gao)(gao)速公路(lu)上方的(de)(de)(de)柱(zhu)子或龍門架上），安(an)裝高(gao)(gao)度對DoF有很大的(de)(de)(de)促進作用(yong)(yong)。在高(gao)(gao)速公路(lu)上使用(yong)(yong)長焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)，能夠(gou)在各(ge)種距(ju)離內對更多(duo)(duo)車(che)(che)(che)輛(liang)進行(xing)成像(xiang)。這種選(xuan)項可能會限(xian)制相(xiang)機(ji)(ji)能夠(gou)準(zhun)確成像(xiang)的(de)(de)(de)車(che)(che)(che)道數(shu)量。圖(tu)中(zhong)比(bi)較了長焦(jiao)(jiao)鏡(jing)(jing)頭(tou)捕捉(zhuo)單個(ge)車(che)(che)(che)道上的(de)(de)(de)多(duo)(duo)輛(liang)汽(qi)車(che)(che)(che)圖(tu)像(xiang)與廣(guang)角鏡(jing)(jing)頭(tou)同時捕捉(zhuo)多(duo)(duo)個(ge)車(che)(che)(che)道圖(tu)像(xiang)。調節(jie)為較小光圈，廣(guang)角鏡(jing)(jing)頭(tou)可以捕捉(zhuo)到(dao)更遠距(ju)離的(de)(de)(de)細節(jie)，或者(zhe)使用(yong)(yong)多(duo)(duo)臺焦(jiao)(jiao)距(ju)更長的(de)(de)(de)相(xiang)機(ji)(ji)，可以捕捉(zhuo)到(dao)更多(duo)(duo)的(de)(de)(de)汽(qi)車(che)(che)(che)圖(tu)像(xiang)。鏡(jing)(jing)頭(tou)的(de)(de)(de)最佳選(xuan)擇取決(jue)于若干因(yin)素，包括但不限(xian)于相(xiang)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)幀率、環境條件以及(ji)可覆蓋(gai)的(de)(de)(de)車(che)(che)(che)道數(shu)。因(yin)此，根據(ju)相(xiang)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)部署位(wei)置(zhi)，應考(kao)慮采用(yong)(yong)各(ge)種焦(jiao)(jiao)距(ju)以找到(dao)最佳視覺(jue)解決(jue)方案(an)。

長(chang)焦距(ju)(ju)和短焦距(ju)(ju)對(dui)比

選擇哪種鏡頭？

       鏡頭(tou)是視(shi)覺(jue)系統的(de)首要(yao)(yao)部(bu)分，對被(bei)捕獲光線有重要(yao)(yao)影響。因(yin)此了解鏡頭(tou)在(zai)通過光學(xue)元件彎(wan)曲(qu)時(shi)對光線造成的(de)影響以及(ji)特定焦(jiao)距(ju)提供最佳視(shi)角的(de)位(wei)置非常重要(yao)(yao)。一個應用適用的(de)理想鏡頭(tou)可以歸結為幾個因(yin)素(su)，包括傳感器的(de)尺寸(cun)、系統的(de)光學(xue)要(yao)(yao)求，以及(ji)物理結構(gou)是否符合視(shi)覺(jue)系統的(de)設計參數規定。

        深圳市雙翌光電科技有限公司是一家以機器視覺為技術核心，自主技術研究與應用拓展為導向的高科技企業。公司自成立以來不斷創新，在智能自動化領域研發出視覺對位系統、機械手視覺定位、視覺檢測、圖像處理庫等為核心的20多款自主知識產權產品。涉及自動貼合機、絲印機、曝光機、疊片機、貼片機、智能檢測、智能鐳射等眾多行業領域。雙翌視覺系統最高生產精度可達um級別，圖像處理精準、速度快，將智能自動化制造行業的生產水平提升到一個更高的層次，改進了以往落后的生產流程，得到廣大用戶的認可與肯定。隨著智能自動化生產的普及與發展，雙翌將為廣大生產行業帶來更全面、更精細、更智能化的技術及服務。