光学镜头概述及分类

　

概要：头的最大像场。在这个最大像场范围的中心部位，有一能使无限远处的景物结成清晰影像的区域，这个区域称为清晰像场。照相机或摄影机的靶面一般都位于清晰像场之内，这一限定范围称为有效像场。由于视觉系统中所用的摄像机的靶面尺寸有各种型号，所以在选择镜头时一定要注意镜头的有效像场应该大于或等于摄像机的靶面尺寸，否则成像的边角部分会模糊甚至没有影像。根据有效像场的大小，一般可分为如下几类： 镜头类型 有效像场尺寸电视摄像镜头1/4英寸摄像镜头3.2mm×2.4mm（对角线4mm）1/3英寸摄像镜头4.8mm×3.6mm（对角线6mm）1/2英寸摄像镜头6.4mm×4.8mm（对角线8mm）2/3英寸摄像镜头8.8mm×6.6mm（对角线11mm）1英寸摄像镜头12.8mm×9.6mm（对角线16mm）电影摄影镜头35mm电影摄影镜头21.95mm×16mm（对角线27.16mm）16mm电影摄影镜头10.05mm×7.42mm（对角线12.49mm）照相镜头135型摄影镜头36mm×24mm127型摄影镜头40mm×40mm120型摄影镜头80mm×60mm中型摄影镜头82mm×56mm大型摄影镜头240mm×180mm 根据焦距分类根据焦距能否调节，可分为定焦距镜头和变焦距镜头两大类。依据焦

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　　光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头，简称镜头，其功能就是光学成像。镜头是机器视觉系统中的重要组件，对成像质量有着关键性的作用，它对成像质量的几个最主要指标都有影响，包括：分辨率、对比度、景深及各种像差。镜头不仅种类繁多，而且质量差异也非常大，但一般用户在进行系统设计时往往对镜头的选择重视不够，导致不能得到理想的图像，甚至导致系统开发失败。本文的目的是通过对各种常见镜头的分类及主要参数介绍，总结各种因素之间的相互关系，使读者掌握机器视觉系统中镜头的选用技巧。

　　根据有效像场的大小划分

　　把摄影镜头安装在一很大的伸缩暗箱前端，并在该暗箱后端安装一块很大的磨砂玻璃。当将镜头光圈开至最大，并对准无限远景物调焦时，在磨砂玻璃上呈现出的影像均位于一圆形面积内，而圆形外则漆黑，无影像。此有影像的圆形面积称为该镜头的最大像场。在这个最大像场范围的中心部位，有一能使无限远处的景物结成清晰影像的区域，这个区域称为清晰像场。照相机或摄影机的靶面一般都位于清晰像场之内，这一限定范围称为有效像场。由于视觉系统中所用的摄像机的靶面尺寸有各种型号，所以在选择镜头时一定要注意镜头的有效像场应该大于或等于摄像机的靶面尺寸，否则成像的边角部分会模糊甚至没有影像。
　　根据有效像场的大小，一般可分为如下几类：
 

 

镜头类型

 

有效像场尺寸

电视摄像镜头

1/4英寸摄像镜头

3.2mm×2.4mm（对角线4mm）

1/3英寸摄像镜头

4.8mm×3.6mm（对角线6mm）

1/2英寸摄像镜头

6.4mm×4.8mm（对角线8mm）

2/3英寸摄像镜头

8.8mm×6.6mm（对角线11mm）

1英寸摄像镜头

12.8mm×9.6mm（对角线16mm）

电影摄影镜头

35mm电影摄影镜头

21.95mm×16mm（对角线27.16mm）

16mm电影摄影镜头

10.05mm×7.42mm（对角线12.49mm）

照相镜头

135型摄影镜头

36mm×24mm

127型摄影镜头

40mm×40mm

120型摄影镜头

80mm×60mm

中型摄影镜头

82mm×56mm

大型摄影镜头

240mm×180mm

 

　　根据焦距分类

　　根据焦距能否调节，可分为定焦距镜头和变焦距镜头两大类。依据焦距的长短，定焦距镜头又可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四大类。需要注意的是焦距的长短划分并不是以焦距的绝对值为首要标准，而是以像角的大小为主要区分依据，所以当靶面的大小不等时，其标准镜头的焦距大小也不同。变焦镜头上都有变焦环，调节该环可以使镜头的焦距值在预定范围内灵活改变。变焦距镜头最长焦距值和最短焦距值的比值称为该镜头的变焦倍率。变焦镜头有可分为手动变焦和电动变焦两大类。
　　变焦镜头由于具有可连续改变焦距值的特点，在需要经常改变摄影视场的情况下非常方便使用，所以在摄影领域应用非常广泛。但由于变焦距镜头的透镜片数多、结构复杂，所以最大相对孔径不能做得太大，致使图像亮度较低、图像质量变差，同时在设计中也很难针对各种焦距、各种调焦距离做像差校正，所以其成像质量无法和同档次的定焦距镜头相比。

变焦距镜头

定焦距镜头

手动变焦 电动变焦

鱼眼镜头 短焦镜头 标准镜头 长焦镜头

　　实际中常用的镜头的焦距是从4毫米到300毫米的范围内有很多的等级，如何选择合适焦距的镜头是在机器视觉系统设计时要考虑的一个主要问题。光学镜头的成像规律可以根据两个基本成像公式牛顿公式和高斯公式来推导，对于机器视觉系统的常见设计模型，我们一般是根据成像的放大率和物距这两个条件来选择合适焦距的镜头的，在此给出一组实用的计算公式：
 

　　放大率：m=h’/h=L’/L

物距：L = f(1+1/m)

　　像距：L’= f(1+m)

焦距：f = L/(1+1/m)

　　物高：h = h’/m = h’(L-f)/f

像高：h’ = mh = h(L’-f)/f

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　　根据镜头接口类型划分

　　镜头和摄像机之间的接口有许多不同的类型，工业摄像机常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。

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