光學(xué)鏡頭與光學(xué)設(shè)計(jì)、高端精密制造緊密相關(guān)，在機(jī)器視覺方面有著舉足輕重的地位。光學(xué)鏡頭是光學(xué)成像系統(tǒng)中的必備組件，直接影響到成像質(zhì)量的好壞，影響算法的實(shí)現(xiàn)和效果，其質(zhì)量的好壞尤為重要。

所以，鏡頭組裝完成，都需要測(cè)試解像力及成像質(zhì)量的好壞，不同的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用不同的鏡頭，所以也有不同的解像檢測(cè)方式和方法。今天卓精藝為大家介紹光學(xué)鏡頭兩種常見質(zhì)量問(wèn)題的評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)試方法。

一、畸變

畸變（distortion）也稱為失真，是由于光闌球差的影響，不同視場(chǎng)的主光線通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后與高斯像面的交點(diǎn)高度不等于理想像高，兩者之差就是畸變。因此畸變只改變軸外物點(diǎn)在理想面上的成像位置，使像的形狀產(chǎn)生失真，但不影響像的清晰度。

畸變有正負(fù)之分。如下圖a所示，一垂直于光軸的正方形平面物體，當(dāng)鏡頭具有正畸變時(shí)，如下圖b所示，稱為枕型畸變；當(dāng)鏡頭具有負(fù)畸變時(shí)，如下圖c所示，稱為桶型畸變。

畸變通常有兩種計(jì)算方法：光學(xué)畸變（Optical distortion）和TV失真（TV distortion）。如下圖所示，其計(jì)算方法為：

在機(jī)器視覺工程師非常關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題是：如何利用鏡頭畸變的參數(shù)來(lái)計(jì)算測(cè)量誤差？在此舉例說(shuō)明。

若相機(jī)芯片為2/3’（對(duì)角線為11mm,像元尺寸為3.45um），某鏡頭光學(xué)畸變率為dist=0.05%， 有y=5.5mm，則Δy=dist*y/100=0.05%x5.5mm/100=2.75µm。故此畸變導(dǎo)致像發(fā)生了2.75µm的偏移，小于一個(gè)像素。

二、分辨率

分辨率定義為：能被分辨開來(lái)的兩個(gè)物點(diǎn)（或像點(diǎn)）之間的最小距離，稱為鏡頭的物方分辨率，記為Resolution(物)（或像方分辨率，記為Resolution(像)）。單位為µm。

Resolution(物) = 0.61 x Wavelength/NA=1.22 x Wavelength x Fno。

Resolution(像) = 鏡頭放大倍率x Resolution(物)

解像力定義為：1mm內(nèi)的黑白線對(duì)數(shù)，記為Resolving power。單位為line/mm或lp/mm。

Resolving power = 1/ Resolution(像)

提到分辨率，大部分工程師會(huì)想到相機(jī)分辨率，而忽略鏡頭的分辨率對(duì)最終成像效果也起到關(guān)鍵作用。事實(shí)上，只有鏡頭分辨率和相機(jī)分辨率匹配，才能得到最佳成像效果。下圖直觀的表示出鏡頭和相機(jī)匹配對(duì)成像效果的影響。

那么鏡頭分辨率跟相機(jī)分辨率如何才能匹配呢？

我們知道，物體是成像在相機(jī)芯片上的，物方的兩個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)鏡頭系統(tǒng)成像在相機(jī)芯片上的最小距離，只有如下圖c所示時(shí)才能被分辨開來(lái)。若物方兩點(diǎn)成像在芯片上的距離如下圖a，下圖b所示時(shí)，這兩點(diǎn)都不能被分辨開來(lái)。

因此鏡頭的像方分辨率=2x像元尺寸時(shí)，說(shuō)明此時(shí)鏡頭分辨率與相機(jī)完全匹配。如相機(jī)像元尺寸為5um，鏡頭放大倍率為0.5倍。則有Resolution(物)=2x5µm/0.5=20µ m時(shí)，鏡頭與相機(jī)完全匹配。若Resolution(物)<20µm，>20µm，說(shuō)明此時(shí)相機(jī)過(guò)好，鏡頭分辨率將成為系統(tǒng)限制。

另外，鏡頭的物方分辨率與產(chǎn)品的精度也常被工程師混淆。

精度指的是測(cè)量值與真實(shí)值之間的差異。如產(chǎn)品真實(shí)值為1.0mm，要求精度為±5µm，則說(shuō)明只要測(cè)量出的值在0.995mm~1.005mm間即為合格品。

在機(jī)器視覺中通常根據(jù)客戶的FOV和精度要求算出相機(jī)的分辨率（如200萬(wàn)像素），相機(jī)一旦選定，則相機(jī)的像元尺寸（如4.65µm）也確定了。選鏡頭時(shí)即可根據(jù)上面的方法來(lái)選擇分辨率匹配此相機(jī)的鏡頭，從而保證系統(tǒng)的精度要求。

而如果客戶描述的是需要觀察到物方大小為5µm的目標(biāo)，則要求鏡頭的物方分辨率必須<10µm。

今天關(guān)于光學(xué)鏡頭評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)試方法的內(nèi)容卓精藝就介紹到這里，下次有機(jī)會(huì)再為大家介紹光學(xué)鏡頭的相關(guān)知識(shí)。

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