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完美聚焦 - 如何为相机寻找合适的镜头

要获得优质、清晰的图像,您不仅需要一台出色的相机,还需要搭配一个适合相机镜头。一开始,似乎有无数种镜头供选择。对于紧凑型数字相机,通常有一个固定式镜头;对于反射式相机,您可以使用可更换镜头,从而在许多不同情况下可以获得出色图像。各种镜头的区别不仅在于它们的分辨率、角宽度和大小,还在于它们的结构。对于机器视觉相机和适合它们的镜头,这一“问题”同样存在。下文将说明哪种镜头适合哪种条件。

镜头类型有哪些?

在说明选择镜头时应考虑哪些因素之前,您应该首先考虑可用的各种类型的镜头。一般来说,有近心镜头或远心镜头,以及广角镜头和鱼眼镜头。此外,还有用于近红外的特殊镜头。

然而,在这里我们将专注于近心镜头,因为它们是机器视觉应用的主要镜头。通常,近心镜头和芯片都有一个固定角度的光圈。光圈角度与人类的眼睛类似。远处的对象显得较小,近处则反之。最常见的近心镜头是在人类的眼睛中发现的。

镜头类型有哪些?

在选择镜头时应该考虑哪些因素?

1. 芯片尺寸和靶面

芯片尺寸是选择正确镜头的一个决定性因素。高分辨率面阵相机线阵相机芯片尺寸相比低分辨率相机更大。芯片尺寸并没有任何标准,但由芯片的分辨率和像素大小决定。从理论上讲,选择是无限的,只是价格问题。

芯片尺寸单位为英寸,但此数据对应芯片对角线长度,1英寸为16mm,而不是25.4mm。这是因历史原因形成的。

不同芯片尺寸
不同芯片尺寸

1.1 接口

接口
By Hustvedt (Own work) [GFDL or CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

相机机身和镜头之间的连接处称为接口。接口采用标准尺寸,根据相机机身的螺纹类型进行标记。

C口是机器视觉相机最常用的接口类型,适合直径为20 mm(相当于1.5英寸)的芯片。对于更大的芯片,通常使用F口或F卡口,但是这类接口很少用于工业应用。对于这些应用,通常使用CS口和S口镜头,这些镜头更适合小型芯片。而S口镜头用于1/2″、1/3″或更小尺寸的芯片。要在CS口机身安装C口镜头,则需要5 mm接圈。但是反过来 CS口镜头是不能安装在C口相机上的。

1.2 靶面直径

镜头接口相对接口尺寸只能在一定条件下用于推导靶面。专业术语“靶面”说明由镜头的透射光照射的芯片表面,边缘无任何阴影,此过程称为“光晕”。

类似于芯片尺寸,靶面直径单位为英寸。理想情况下,1/3″的C口镜头应安装在采用1/3″芯片的相机上。这样可以尽可能利用可用靶面。如果我们将同一镜头安装在采用1/2″大小芯片的相机上,就会出现光晕

假设我们采用相同焦距的2/3″镜头以及1/3″芯片,则不会产生任何光晕。不过,视角会改变。原则上,使用大的镜头甚至是一项优势,可以形成更大的靶面,这意味着,图像从中心到边缘的锐化可以保持一致

在这种情况下很大一部分靶面无法使用,也就造成资金浪费。这样镜头尺寸就无关紧要了,图像的大小由芯片尺寸决定。镜头越大,价格越贵。对于较小的芯片,您应该使用适当的较小镜头。

1.2 靶面直径

靶面直径必须适合或大于芯片尺寸!

2. 分辨率和像素大小

分辨率和像素大小

只有使用高分辨率镜头,才能获得高分辨率图像。

要获得真正优秀的高分辨率图像,仅仅像素数较高是不够的。镜头还必须能够解析像素大小。镜头的分辨率以每毫米线对数衡量,它表示每毫米中可以相互分离的行的数量。可以分辨的线对数越多,镜头的分辨率越高。

MTF曲线(调制传递函数)描述了镜头从图像中心到边缘的分辨率性能。您可以向制造商索取这些曲线。计算MTF曲线的参照物是黑色和白色线条测试图,其组合方式越来越细,因此可以读出以lp/mm表示的最大分辨率。

镜头分辨率可帮助确定仍然可以解析的像素大小。大多数情况下直接指定镜头可解析的百万像素数。

对于具备500万像素分辨率的芯片,它具有500万个图像点,我们需要可以解析全部500万像素分辨率的镜头。

镜头分辨率以每毫米线对数(lp/mm)表示。
镜头分辨率以每毫米线对数(lp/mm)表示。
典型的分辨率测试图
典型的分辨率测试图

镜头的分辨率必须与芯片的像素大小匹配。

附注: 百万像素

许多消费相机或智能手机制造商对设备具有超高像素数进行广告宣传。这暗示消费者更多像素意味着更高分辨率,可以获得理想图像。但如果镜头不适合,高百万像素数事实上并没有帮助。高质量镜头非常昂贵,因而很多制造商试图在这方面降低成本。比如说,一款配备分辨率为2000万像素相机的智能手机生成的图像模糊;具有如此高像素数的芯片只是将模糊图像放大了而已。然而,采用5百万像素分辨率和高质量镜头的紧凑型相机会获得明显更清晰的图像,尽管标称分辨率较低。

对于工业图像处理,芯片通常提供的分辨率在VGA (30万像素)和500万像素之间。至少对于C口相机来说,更高分辨率意义不大,因为单个像素太小,对于执行所需测量和检测任务来说噪声过大。

3. 焦距与芯片尺寸的相互关系

我们将镜头的光学中心和焦点之间的距离定义为焦距。平行入射光的所有光线在焦点相交。因而镜头焦距f依赖镜片的屈光度,以毫米为单位表示。

焦距越大,镜头的远摄特性越强。体育摄影师和狗仔队使用的巨型长焦镜头显然比消费相机的镜头焦距更长。广角镜头和鱼眼镜头焦距相应较小。

焦距由芯片宽度、物镜宽度和操作距离决定。大部分镜头供应商在他们的网站提供了计算工具,可用于计算焦距。

焦距与芯片尺寸的相互关系
不同焦距的示例图像 不同焦距的示例图像

焦距必须与芯片尺寸和应用体系结构匹配。

4. 光圈及光源条件

相机光圈的选择直接影响图像质量和亮度。F数(或F制光圈)是焦距与光圈直径的比值,表示光圈全开的宽度。

F数较高意味着光圈较小,从而投射在芯片上的光线较少。当光圈全开时,更多的光线将投射到芯片上,则只需较少的额外光线,便可获得出色图像。

对于较差的光源,应该选择全开光圈。

较小的光圈既有优点也有缺点。这可以降低光晕和其他像差等意外效果,并增加焦距。 然而,需要注意光圈不能太小。如果采用太小的光圈,会产生衍射模糊。在这种情况下光圈边缘的入射光将发生偏斜,对图像质量产生不利影响。

因此,每个镜头的理想F数实际上无非是最小衍射模糊与最大景深之间的平衡。

光圈及光源条件
F数较小可以增加景深,但会导致严重变暗,产生衍射模糊。因此,您应该找到一个好的平衡点。 F数较小可以增加景深,但会导致严重变暗,产生衍射模糊。因此,您应该找到一个好的平衡点。

光圈必须适合您的应用的光线条件。

检查清单

在理解了上述讨论后,您应该会提出下面的问题:

  • 镜头接口: 镜头与相机的接口是否相同,例如采用C口?
  • 分辨率: 镜头分辨率是否适合芯片分辨率?

  • 焦距: 焦距是否适合芯片尺寸和应用?
  • 靶面: 靶面直径是否至少适合芯片尺寸?
  • 光圈: 光圈是否匹配应用的主要光照条件?

此检查清单中的所有问题的答案是否都为“是”?

恭喜您,您已经找到了适合相机和应用的镜头!