《机器视觉算法与应用》第2章 图像采集之镜头——学习笔记

2.2 镜头

镜头是一种光学设备，用于聚集光线在摄像机内部成像。

2.2.1 针孔摄像机

2.2.2 高斯光学

折射原理：

根据近轴近似可以得到高斯光学，在高丝光学中同心光束通过由球面透镜构成的镜头后又汇聚到一点。

光学系统设计的目的就是使得镜头的结构在满足高斯光学的基础上使入射角足够大，以满足实际应用。

2.2.3 景深

2.2.4 远心镜头

光学镜头有很多的品类，远心镜头便是其中的一种，远心镜头可以分为物方远心镜头、像方远心镜头和双侧远心镜头，但是很多人却不清楚这三者的特点，经常会弄混，下面小编就为大家介绍一下这三者之间的区别。

首先解释什么是远心，远心是对镜头光学成像特性的一种描述，一个镜头是由一个光学系统组成，光学系统的前后两侧分别对应着拍摄物体和成像芯片，光路是可逆的，因此这两侧在一定的条件下可以互换，在光学定义上把光线进入光学系统的那一侧叫光学系统的物方，把光线通过光学系统折射出的一侧叫做像方。

当入瞳位于距离光学系统接近无限远处时，光学系统就是物方远心；当出瞳位于距离光学系统接近无限远处时，光学系统就是像方远心；当入瞳和出瞳分别位于光学系统无限远处时，那么光绪系统就是物像双侧远心，简称双远心。

我们知道，当入瞳位于光学系统无限远处时，物面上每一个发光点进入成像系统的总和是一个类似于立体锥形的轮廓，这个锥形体的旋转对称面和光学系统的子午光轴面平行。因为光线有这样的成像原理，所以物方远心的光学成像系统没有视场角的因素，这样就能保证镜头在景深范围内，即使变化物距也会有同样的光学倍率，这对于需要标定计算物象比例关系的视觉应用提供了原理保障，这也是为什么现在机器视觉行业越来越多追求精度的项目都在用物方远心或双远心镜头的原因之一。

此外，也是因为光学系统对每一个发光点都有这样光线约束的关系，光学系统成像视野范围内单位面积上的光照度会非常均匀，这就保证了图像在照度环境下整个像面有着很均匀的亮度。

物方远心和双远心镜头的优势在于物方有着固定的成像倍率。
像方远心和双远心镜头的优势在于像方有着均匀的照度。

远心侧的光学有效口径一般接近物面或像面的有效口径，因为镜片的有效口径直接决定了整个镜头的外形尺寸和加工成本，所以在产品开发上，一般对应2/3靶面，1倍及其以上倍率的光学镜头做成物方远心以后无论在体积还是成本上都有很大的优势，反之1倍以下倍率的光学镜头做成物方远心后在体积和成本上都没有明显的优势。

这也就是目前市面上一般的物方远心镜头光学倍率都在1倍或以上的产品比较多，而双远心一般都是在1倍及其以下的产品比较多的原因。

针对成像来说，物象的比例关系恒定是由物方远心决定的，像面均匀照度是像方远心决定的。

对于机器视觉的应用来说，一般用远心镜头都是来解决物象恒定比例关系这个核心问题的，此外物方远心光学系统自带的畸变小、景深大、分辨率高等优势特点也是机器视觉应用的重点选择依据。

2.2.5 镜头的像差

至此为止，一直假设在高斯光学中同心光束通过镜头后会聚于一点。而在实际中通常是不会发生这种情况的。