让一切清晰聚焦：为您的视觉系统寻找合适的镜头
采集清晰的图像不仅需要一台好的相机，还需要适配的镜头才能确保获得出色的成像质量。各式镜头在分辨率、焦距和尺寸上存在差异，在设计上也不尽相同。在以下文章中，我们将向您介绍各类镜头的适用场景。
有哪些类型的镜头可供选择？选择镜头时应该重点关注哪些因素？
选择合适的镜头对图像处理系统的性能有重要影响。为了确保光学配件和成像芯片能够以出色的方式协同工作，必须考虑多个技术因素，特别是芯片尺寸、分辨率、焦距和光圈值。
首先，我们来简要了解最重要的概念：镜头类型：
我们通常所说的镜头类型包括普通透视镜头、远心镜头、广角镜头、鱼眼镜头，以及用于近红外的特殊镜头。
在下文中，我们将重点讨论大多数机器视觉应用中使用的普通透视镜头。它可以生成与人眼类似的透视图像：即远处的物体看起来较小，而近处的物体看起来较大。人眼本身就是一个典型的透视光学系统。
在选择合适镜头的过程中，以下技术因素发挥着决定性作用：
芯片尺寸和像圈直径
分辨率和像素尺寸
焦距
光圈开度和光源条件
1. 芯片尺寸和像圈
芯片尺寸是选择镜头时需要考虑的一项关键因素。相较于分辨率较低的相机，高分辨率的面阵相机和线阵相机所搭载的芯片通常更大。这个芯片尺寸没有标准，而是根据分辨率和像素尺寸而定，理论上几乎任何尺寸的芯片都是有可能的，具体取决于预算。芯片尺寸以英寸为单位。但是，芯片的1英寸并不等同于25.4 mm，而是约等于16 mm，这是由历史上沿用至今的通用行业标准值来决定的。
1.2 像圈直径
像圈是指均匀曝光且没有边缘阴影（暗角）的芯片区域，而镜头卡口或卡口尺寸对像圈不构成决定性的影响。
与芯片尺寸一样，像圈直径也是以英寸为单位。1/3英寸C-mount镜头就非常适用于搭载1/3英寸成像芯片的相机，以充分利用像圈面积。但如果同样的镜头改为搭配1/2英寸等较大尺寸的芯片来使用，这时就会产生暗角。
另一方面，如果在较小的1/3英寸芯片上使用2/3英寸镜头，则不会出现暗角，其产生的图像锐度甚至在边缘处都能达到很高水平，但还有很大一部分像圈未得到有效利用，考虑到大镜头成本更昂贵，因此这样做的利用率较低。在使用较小的芯片时，选用较小的镜头通常更具成本效益。这里的决定性因素是像圈直径必须与芯片尺寸一致或比它大。
2. 分辨率和像素尺寸
高分辨率的视觉系统不仅需要分辨率高达几百万像素的成像芯片，还要求搭配的镜头也能够重现这种高分辨率。镜头的分辨率决定了精细的细节能否清晰可见。在以下章节中，您将了解为什么需要同时考虑分辨率和像素尺寸，以及如何评估镜头的性能。
分辨率和每毫米线对数
镜头的分辨率以“每毫米线对数”(lp/mm)为单位。该值描述了在一毫米的范围内，有多少条细线可以清晰地区分开来。每毫米线对数的值越高，则说明其描绘的细节越清晰。只有镜头分辨率足够高，芯片才能充分发挥其潜力。
MTF曲线：从中心到边缘的清晰度
MTF曲线（调制传递函数）可用于显示镜头在从图像中心到边缘的整个像场上的分辨率。MTF曲线是基于一张带有黑白线的测试图而得出的，其中黑白线的间距呈递进式地缩小。各大制造商通常会应客户要求或在数据表中提供MTF曲线，这有助于客观地评估镜头的实际性能。
像素尺寸和镜头选型实例
镜头的分辨率必须与芯片的像素尺寸相匹配，只有这样才能让每个像素对焦。例如，对于500万像素的成像芯片，所选镜头的实际分辨率也必须达到500万像素。有些镜头会直接以“百万像素”为单位标明支持的芯片分辨率，这可以简化选型过程，但这并不能取代使用lp/mm或MTF曲线等技术数据进行的测试。只有当芯片分辨率和镜头性能相匹配时，才能充分发挥图像处理系统的潜力。
旁注：百万像素
许多消费相机或智能手机制造商都会在广告宣传中声称设备具有超高像素数，暗示消费者更多的像素表示更高的分辨率，从而可获得理想图像。但是事实上，如果镜头不适配，即便设备拥有较高的百万像素数参数也并没有助益。高质量的镜头非常昂贵，因而很多制造商试图在这方面降低成本。比如说，如果一款配备分辨率为2000万像素相机的智能手机本身生成的图像较为模糊，那么采用如此高像素数的芯片只不过是将模糊图像放大了而已。
然而，对于一台紧凑精巧的相机，即便它声称的分辨率较低，为500万像素分辨率，但只要配合高质量的镜头，它生成的图像也依然会明显更清晰。
在机器视觉领域，芯片的分辨率一般在VGA（30万像素）到500万像素之间。至少对C-mount相机来说，更高的分辨率没有太大意义，因为单个像素太小，噪声太大，无法执行要求严格的测量和检测任务。
3. 焦距与芯片尺寸的相互关系
我们将镜头的光学中心与焦点之间的距离称为焦距。平行入射光线的所有光线都在焦点处相交。镜头的焦距f取决于镜头的折射率，焦距以毫米(mm)为单位。
焦距和成像效果
焦距越大，镜头的远摄特性就越强。我们可能看过体育摄影师和狗仔队使用的巨型镜头，其焦距显然比消费型相机的镜头要大。而广角镜头和鱼眼镜头的焦距则相应较小。
焦距是由成像芯片宽度、物体宽度和采集距离决定的。大多数镜头供应商都会在其官方网站上提供计算工具，您不妨可以使用这些工具来计算焦距。
不同焦距的图像示例
通过图像对比，不难看出随着焦距的增加，图像截面会相应地减小，变焦效果也会随之增强。这个特性对于选择合适的镜头至关重要。焦距必须始终与芯片尺寸和特定应用设置相匹配。
4. 光圈与光源条件
相机光圈的选择对成像质量和亮度都会带来直接影响。F值（光圈值）是焦距与光圈直径的比值，它规定了光圈的开度。
F值和成像质量
当F值越大，光圈越小，落在成像芯片上的光线就越少。在光线不足的情况下，大光圈的好处是能让更多光线通过。
较小的光圈可以增加景深，减少暗角等像差，但也可能导致衍射拖影。这是由光圈边缘的光衍射造成的，会降低成像质量。
因此，每个镜头都有一个最佳F值，这是在最大景深和最小衍射之间进行权衡的折衷值。
结论：在选择光圈时，应该与应用中的光照条件相匹配，光圈既不要过大，也不要过小。
镜头选型清单
在确定镜头之前，请检查以下几点：
镜头接口：镜头的卡口（例如C-mount）是否与相机兼容？
分辨率：镜头的分辨率是否与成像芯片的分辨率一致，从而能够聚焦所有细节？
焦距：焦距与芯片尺寸以及应用所需的图像区域是否相匹配？
像圈：像圈直径是否能够覆盖整个芯片，并且不会产生暗角？
光圈：光强（光圈）是否能够满足环境亮度要求？
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