机器视觉光学基础概念：视场、分辨率、法兰距离、镜头接口、畸变

视场视场（FOV）也称视野,是指能被视觉系统观察到的物方可视范围对于镜头而言，可观察到的视场跟镜头放大倍率及相机芯片选择有关因此通常建议客户根据被观察物体的尺寸，先确定所需的视场，再确定相机芯片尺寸及镜头放大倍率。

在实际工程项目中，考虑到机械误差等问题，视场通常要大于待观测物体的实际尺寸，以确保在机械误差的范围内，物体始终位于视觉系统的可视范围内?分辨率分辨率定义为：能被分辨开来的两个物点（或像点）之间的最小距离，称为镜头的物方分辨率，记为Resolution(物)（或像方分辨率，记为Resolution(像)）。

单位为μmResolution(物)?= 0.61 x Wavelength/NA=1.22 x Wavelength x Fno.Resolution(像)?=?镜头放大倍率x Resolution(物)解像力定义为：1mm内的黑白线对数, 记为Resolving power。

单位为line/mm或lp/mm.Resolving power = 1/ Resolution(像)提到分辨率，大部分工程师会想到相机分辨率，而忽略镜头的分辨率对最终成像效果也起到关键作用事实上，只有镜头分辨率和相机分辨率匹配，才能得到最佳成像效果。

下图直观的表示出镜头和相机匹配对成像效果的影响那么镜头分辨率跟相机分辨率如何才能匹配呢？我们知道，物体是成像在相机芯片上的，物方的两个点，经过镜头系统成像在相机芯片上的最小距离，只有如图c所示时才能被分辨开来。

若物方两点成像在芯片上的距离如图a, 图b所示时，这两点都不能被分辨开来因此镜头的像方分辨率=2x像元尺寸时，说明此时镜头分辨率与相机完全匹配如相机像元尺寸为5um, 镜头放大倍率为0.5倍则有Resolution(物)=2x5μm/0.5=20μ m时，镜头与相机完全匹配。

若Resolution(物)20μm, 说明此时相机过好，镜头分辨率将成为系统限制另外，镜头的物方分辨率与产品的精度也常被工程师混淆精度指的是测量值与真实值之间的差异如产品真实值为1.0mm, 要求精度为±5μm, 则说明只要测量出的值在0.995mm~1.005mm间即为合格品。

在机器视觉中通常根据客户的FOV和精度要求算出相机的分辨率（如200万像素），相机一旦选定，则相机的像元尺寸（如4.65μm）也确定了选镜头时即可根据上面的方法来选择分辨率匹配此相机的镜头，从而保证系统的精度要求。

而如果客户描述的是需要观察到物方大小为5μm的目标，则要求镜头的物方分辨率必须<10μm法兰距离及镜头接口今天先给大家介绍一下法兰距离，继而介绍茉丽特镜头（或搭配的相机）中常见的几种接口，以及加接圈的原则和意义。

所谓法兰距离，就是指相机机身与镜头接触的机械面到相机芯片之间的距离镜头的后截距需和相机的法兰距离对应，才能让光线聚焦在相机芯片上通常，工业相机接口有C接口、CS接口、F接口、M72接口、M95接口等等除F接口外，其他接口一般用螺纹的尺寸规格去定义，并且会有特定的法兰距离，而F接口则为卡扣式的接口。

以C接口为例，它的螺纹规格是1英寸直径，螺纹是32牙/英寸，可以兼容使用于最大4/3”芯片的工业相机（对角线长度约22.6mm）C接口相机的法兰距离为17.526mm，需配合C接口的镜头使用，如下图——而CS接口，螺纹规格和C接口相同，但是法兰距离为12.526mm，比C接口短5mm，因此 C接口镜头配合CS接口相机时，需要加一个5mm的接圈，否则成像位置会在芯片之后，如下图——值得注意的是，如果要成像，必须保证镜头设计的法兰距离大于相机的法兰距离。

例如，如果一个CS接口镜头，搭配一个C接口的相机，就会出现以下情形而无法使用——对于线扫镜头或大面阵镜头，通常其后截距比较大， 这样也可以兼容市面上的各种不同法兰距离的线扫描/大面阵相机例如下图是茉丽特的F80C系列镜头的接圈方式，通过加不同厚度的接圈，可以与法兰距离为46.5mmF口相机，或法兰距离仅有6.56mm的M72接口相机及其他更多的相机匹配。

使用时，我们需要根据所选用相机的型号去选择对应的接圈方式，因此通常情况下，线扫镜头的接圈的接法会相对复杂畸变畸变作为光学系统中经常提到的一个参数，是限制光学量测准确性的重要因素之一它是光学系统对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度，只引起像的变形，对像的清晰度并无影响。

对于理想光学系统，在一对共轭的物像平面上，放大率是常数但是对于实际的光学系统，仅当视场较小时具有这一性质，而当视场较大或很大时，像的放大率就要随视场而异，这样就会使像相对于物体失去相似性这种使像变形的成像缺陷称为畸变。

畸变定义为实际像高与理想像高差，而在实际应用中经常将其与理想像高之比的百分数来表示畸变，称为相对畸变，即有畸变的光学系统，若对等间距的同心圆物面成像，其像将是非等间距的同心圆当系统具有正畸变时，实际像高随视场的增大比理想像高增大得快，即放大倍率随视场的增大而增大，则同心圆的间距自内向外逐渐增大；反之，当为负畸变时，圆的间距自内向外逐渐减小。

对于普通的光学镜头，只要感觉不出它所成像的变形，这种成像缺陷就可忽略；但是对于某些要利用像来测定物体大小尺寸的应用，畸变的影响就非常重要了，它直接影响测量精度普通工业镜头的畸变一般在1%～2%，这样的畸变通常会影响检测精度（例如实际长度为100mm的物体，使用这种镜头测得的尺寸可能是101mm～102mm；而我们BTOS远心光学的双远心镜头，畸变一般都小于0.1%，畸变系数为普通镜头的1/20，大大提高了检测精度和稳定性，达到了目前最高标准光学测试仪器的测量极限。

左图为双远心镜头拍摄的畸变测试图，完全无径向畸变或梯形畸变；中图为明显径向畸变；右图为明显梯形畸变（文章来源于网络，仅做学术交流，如有侵权请联系删文）

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