图像处理：第二篇 —— 选择镜头的基础知识及对图像处理的影响

一、图像传感器的典型应用

图像处理过程大致可分为如下四步：

1.拍  摄      按下快门，拍摄图像

2.传  送      将图像数据由照相机传送到控制器。

3.处  理      前处理 : 对于图像数据进行加工，使其特征更加明显。

                  测算处理 : 根据图像数据对于损伤、尺寸等进行测算。

4.输出结果  将处理结果以信号的方式输出到相连的控制装置（ PLC 等）。

大多数图像传感器制造商在产品目录中，对于第三步“处理”做了更多的说明。这表明这些厂家更重视控制器的处理能力。 实际上，第一步“拍摄”才是得到正确、稳定的图像处理效果所必需的重要的步骤。而这一步的关键在于“镜头和照明的选择”在初级篇中，将以“镜头的选择”为中心，介绍有关拍摄的知识。

二、镜头的基础知识及选择方法

在图像处理流程中，拍摄环节的质量直接决定后续处理效果，而镜头的选择是拍摄的关键。镜头如同图像系统的 “眼睛”，其性能参数会显著影响图像的清晰度、视野范围和细节表现力。

1.镜头的结构

镜头由多个镜片、光圈和调焦装置组成。

光圈负责调节进光量，调焦则确保物体成像清晰。选择镜头时，需重点关注视野、焦距、景深和失真等参数。

2.镜头的焦距及视野的计算方法

FA（工厂自动化）领域常用镜头焦距为 8mm、16mm、25mm 和 50mm，不同焦距对应不同的视野范围。

焦距与视野的关系可通过公式 “WD：视野角 = 焦距：CCD 尺寸” 计算（WD 为工作距离）。

例如，当焦距为 16mm、WD 为 200mm 时，结合 CCD 尺寸可算出视野大小。实际应用中，需根据检测对象的大小和拍摄距离选择合适焦距，确保目标完全纳入视野且细节清晰。

三.增加景深（对焦时的高度范围）、得到清晰画面的方法

景深是衡量镜头成像清晰度范围的重要指标，影响因素包括焦距、拍摄距离和光圈。焦距越小、拍摄距离越远、光圈越小，景深越大。小光圈虽能增加景深，但会减少进光量，需配合照明调整。使用延伸环或微距镜头时，景深会减小，需特别注意。

-镜头焦距越小，景深越大。

-与拍摄对象距离越远，景深越大。

 注意: 使用延伸环或微距镜头时，景深会变小。

-光圈越小，景深越大。对于同一只镜头而言，光圈越小，亮度越大，越容易聚焦。

 下图所示为拍摄斜面上表示高度的胶带的情况。 比较小光圈和大光圈时的拍摄效果。

小光圈时的图像 (CA-LH25)和大光圈时的图像 (CA-LH25)如下：

四.不同镜头性能造成对比度的差别

下图是使用本公司生产的高分辨率镜头 “CA-LH16” 和标准镜 头 “CV-L16” 拍摄的同一物体的图像。

1.由于镜头的材料及构造的不同，造成图像质量也不相同。

根据用途选择高分辨的镜头，可以得到高对比度的图像。

2.镜头性能还体现在对比度和失真度上。

高分辨率镜头（如 CA-LH16）能呈现更高对比度，让图像细节更突出，尤其适合检测微小缺陷。而镜头失真分为桶形和枕形，失真度数值越小，精度越高。测量场景应优先选择长焦距镜头，因其失真度相对较小。

3.相机像素也会影响成像质量。

200 万像素相机比 24 万像素相机在放大后仍能保持边缘清晰，更适合需要精细识别的场景，如文字读取。因此，需根据检测精度要求选择匹配的镜头和相机组合。

五.镜头的扭曲（失真）

什么是镜头的失真？

镜头的失真度是拍摄图像的中央部分与周围部分的变化比率。

由于存在像差，拍摄图像的周边部分会发生某种程度的扭曲现象。

失真可分为桶形失真和枕形失真两类。表示失真度的数值（绝对值）越小，则镜头的精度越高。 在测量尺寸时，应使用失真度小的镜头。一般说来，长焦距镜头的失真度会相对小一些。

总之，镜头选择需综合考虑视野、景深、失真等因素，结合具体应用场景优化参数。只有选对镜头，才能为后续图像处理提供高质量的原始数据，这是实现精准检测的前提。