2.2 镜头

在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。镜头的质量将直接影响机器视觉系统的整体性能。合理地选择和安装镜头，是设计机器视觉系统的重要环节。镜头如图2-8所示。

2.2.1 视场角

视场角是以镜头为顶点，以被测物可通过镜头的最大范围的两条边构成的夹角，如图2-9所示。在光学系统中，视场角可用FOV表示，其与CCD芯片的关系如下：

式中，L为CCD芯片的高或宽；M为放大率；h为像高；H为物高；V为像距；U为物距；EFL为焦距。

按照视场角的大小，镜头可分为标准镜头、广角镜头、远摄镜头。

2.2.2 光圈

光圈是一个用来控制透过镜头进入相机感光面的进光量的装置。光圈的大小（用f表示）如图2-10所示：f后面的数值越小，光圈越大，进光量越多，画面越亮，焦平面越窄，主体背景越虚化；f后面的数值越大，光圈越小，进光量越少，画面越暗，焦平面越宽，主体背景越清晰。

2.2.3 焦距

焦距又称焦长，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，是从透镜中心到光聚集焦点的距离，也是从镜片光学中心到底片、CCD或CMOS芯片等成像平面的距离。

镜头焦距的长短决定着视场角的大小：焦距越短，视场角就越大，观察范围就越大，但远物就越不清晰；反之，焦距越长，视场角就越小，观察范围就越小，远物就越清晰。因此，在选择焦距时，应充分考虑是观察细节还是观察范围：如果需要观察近距离、大场面的物体，则选择小焦距的广角镜头；如果需要观察远距离的细节，则选择大焦距的长焦镜头。焦距的计算公式如下：

焦距、物距、视野的示意图如图2-11所示：物距表示在清晰对焦时，镜头或相机到被测物的垂直距离；视野表示在保持相机、镜头固定不动的情况下，镜头清晰对焦后能看到的区域。

2.2.4 景深

对景深的说明如图2-12所示，表示在某个调焦位置上，前后一定范围内的物体都能够取得清晰图像。景深随镜头的焦距、光圈值、拍摄距离的变化而变化。对于固定的焦距和拍摄距离而言，使用的光圈越小，景深越大。

2.2.5 失真

被测物平面内的主轴外直线经光学系统成像后变为曲线，这种现象被称为失真，又称畸变。畸变只影响影像的几何形状，不影响影像的清晰度。镜头畸变的类型包括桶形畸变、枕形畸变、线性畸变等。

1.桶形畸变

桶形畸变（Barrel Distortion）又称桶形失真，如图2-13（a）所示，是成像画面呈桶形膨胀状的失真现象。在使用广角镜头或使用变焦镜头的广角端时，最容易出现桶形失真现象。普通消费级数码相机的桶形失真率通常为1%。

2.枕形畸变

枕形畸变（Pincushion Distortion）又称枕形失真，如图2-13（b）所示，是由镜头引起的画面向中间“收缩”的现象。在使用长焦镜头或使用变焦镜头的长焦端时，容易出现枕形失真现象，特别是在使用焦距转换器之后，更容易发生枕形失真。当画面中有直线（尤其是靠近相框边缘的直线）时，枕形失真最容易被察觉。普通消费级数码相机的枕形失真率通常为0.4%，低于桶形失真率。

3.线性畸变

线性畸变（Linear Distortion）又称线性失真，即当试图近距离拍摄高大的直线结构，如建筑物或树木时，会导致的一种失真现象。假设使用的是广角镜头，并且认为只把相机稍微向上瞄准一点，就可以把整个结构拍摄下来，但是，由于平行的线条显得并不平行，造成建筑物或树木好像要倾倒下来似的，这种失真现象被称为线性畸变，如图2-14所示。

2.2.6 分类

1.按焦距调节方式分类：定焦镜头、变焦镜头

（1）定焦镜头

定焦镜头是焦距固定不变的镜头。定焦镜头相对于变焦镜头的最大好处是对焦速度快、成像质量稳定，特别适合用于大型的风光摄影，以及大型的集体合影拍摄等场景。

（2）变焦镜头

变焦镜头是在一定范围内可以变换焦距，从而得到不同大小的视场角、不同大小的影像和不同景物范围的相机镜头。

· 对焦方式：根据对焦方式的不同，可以把变焦镜头分为手动变焦镜头和自动变焦镜头。

· 变焦范围：一般来说，变焦范围为20～40mm的变焦镜头被称为广角变焦镜头；变焦范围为35～70mm的变焦镜头被称为标准变焦镜头；变焦范围为70～200mm的变焦镜头被称为中远变焦镜头；变焦范围为200～500mm的变焦镜头被称为远摄变焦镜头。当然，也有不少镜头囊括了广角至中远，甚至远摄的范围，如28～200mm、28～300mm等。

· 变焦倍率：从变焦倍率来看，有2倍（变焦范围为35～70mm）、3倍（变焦范围为70～210mm）、5倍（变焦范围为28～135mm）、7倍（变焦范围为28～200mm）、10倍（变焦范围为50～500mm）等变焦镜头。总体来说，变焦范围越大，相应的体积越大、画质越低、光圈越小。

· 变焦方式：根据操作的不同，变焦镜头可分为推拉式变焦和旋转式变焦两种。推拉式变焦的优点在于使用方便，可以快速地从最远端变焦到最近端，缺点在于采用俯、仰姿势拍摄的时候镜头容易滑动；旋转式变焦的优点在于对焦环和变焦环各自独立，转动操作时互不干涉，但操作不如推拉操作简便，尤其是在采用变焦拍摄“爆炸”效果时，不如推拉式变焦容易实现。

2.按视场角大小分类：标准镜头、广角镜头、鱼眼镜头、远心镜头

（1）标准镜头

标准镜头是焦距长度接近或等于底片幅面/传感器对角线长度的镜头。以全幅135单反相机为例，它的底片幅面为24mm×36mm，传感器对角线的长度为50mm。所以，这类相机的标准镜头焦距为50mm。当然，画幅不同的相机，标准镜头的焦距也有所不同。一般来说，120相机的标准镜头焦距为75mm。标准镜头的特点是孔径大、成像质量出众、价格低廉等。

（2）广角镜头

广角镜头是焦距小于标准镜头的焦距、视场角大于标准镜头的视场角的镜头。以全幅135单反相机为例，焦距约为30mm、视场角约为70°的镜头被称为广角镜头；焦距小于22mm、视场角大于90°的镜头被称为超广角镜头。

广角镜头的特点有：

· 景深大：有利于获得清晰的画面效果，广泛应用于风光片的拍摄中。

· 视场角大：在有限的范围内可以获得较大的取景范围，在室内建筑的拍摄中尤为常见，广泛应用于房地产行业的拍摄中。

· 透视感强烈：可以营造具有强烈视觉冲击感的画面。

· 畸变较大：尤其是在画面的边缘部分。

（3）鱼眼镜头

鱼眼镜头是一种极端的超广角镜头。以全幅135单反相机为例，焦距小于16mm、视场角约为180°的镜头被称为鱼眼镜头。

鱼眼镜头的特点有：

· 视场角大，被摄范围极广。

· 可获得极为夸张的透视感。

· 存在严重畸变，但可以获得戏剧性的效果。

· 价格昂贵，原为天文摄影而设计。

· 不能使用一般的滤镜，取而代之的是内置式滤镜。

（4）远心镜头

远心镜头是焦距长于标准镜头的焦距、视场角小于标准镜头视场角的镜头。以全幅135单反相机为例，焦距约为200mm、视场角约为12°的镜头被称为远心镜头；焦距大于300mm、视场角约为8°的镜头被称为超远心镜头。

远心镜头的特点有：

· 景深小，容易获得主体清晰、背景虚化的画面效果。

· 视场角小，能够获得远处主体较大的画面，不干扰被测物，可广泛应用于户外野生动物的拍摄中。

· 压缩了画面透视的纵深感，拉近了前、后景的距离。

· 影像畸变较小，广泛应用于人像摄影中。

除了以上的镜头，还有数码镜头、特殊专用镜头、滤光镜等。常见的镜头类型如图2-15所示。

2.2.7 接口

镜头的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口类型，即F型、C型、CS型。

· F型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头，接口方式为卡口。

· 当镜头的焦距小于25mm时，因镜头的尺寸不大，便可采用C型或CS型接口，接口方式为螺纹口。

C型接口与CS型接口的区别在于从镜头与相机的接触面至镜头的焦平面的距离不同：对于C型接口而言，其距离为17.526mm；对于CS型接口而言，其距离为12.5mm。因此，C型接口与C型相机、CS型接口与CS型相机可以配合使用。若在C型接口与CS型相机之间增加一个5mm的C/CS转接环，如图2-16所示，则两者可以配合使用，否则CS型接口与C型相机无法配合使用。