對于每個機器視覺系統(tǒng)應(yīng)用，光學(xué)系統(tǒng)對整個圖像的質(zhì)量、準確性、速度和重復(fù)性都至關(guān)重要。構(gòu)建機器視覺系統(tǒng)時，必須考慮應(yīng)用、分辨率、照明、景深、視場、處理速度和其他要素。但是，構(gòu)建的系統(tǒng)往往無法達到性能預(yù)期，或者使用了指定條件過多的組件。這兩種缺陷都需要付出高昂的代價，因為由于指定條件不足而出現(xiàn)故障的系統(tǒng)必須重新設(shè)計，而指定條件過多的系統(tǒng)包含高價格組件。 
  視覺系統(tǒng)從圖像中提取必要的信息，因此應(yīng)用將決定所需的圖像質(zhì)量。而機器視覺系統(tǒng)成像能力是由組件成像能力決定的。每個視覺系統(tǒng)都需要照明、鏡頭、相機以及計算機來分析圖像。應(yīng)該選擇適合應(yīng)用且相互補充的組件，避免對系統(tǒng)的某些部件指定過多質(zhì)量條件。 
  要為應(yīng)用選擇適當?shù)溺R頭，需要了解多種參數(shù)和概念。這些概念包括視場、工作距離、分辨率、對比度、遠心度等。 
        視場 
  視場是被觀察物體的可視區(qū)域。換句話說，就是整個物體中填充相機傳感器的部分。視場可以采用多種形式指定：對于縮放或變焦鏡頭，可以使用范圍的形式來指定（如10~50mm）；對于工作距離較廣的鏡頭，可以指定為一個角度規(guī)格（如25°）；對于固定放大倍率鏡頭，可以指定為一個固定數(shù)值（如25mm）。但是，如果使用了不同尺寸的成像陣列，所有這些規(guī)格都會發(fā)生變化。 
  市場上有許多不同尺寸的陣列。要選擇合適的鏡頭，就必須了解陣列的實際尺寸。陣列變大，視場也會隨之增大；反之，傳感器變小，視場也會隨之減小。通過鏡頭的放大倍率，可以指定相應(yīng)的視場以顧及不同的成像器幅面。鏡頭的放大倍率是系統(tǒng)的主要放大倍率，被稱為主要放大倍率。 
    主要放大倍率 
  主要放大倍率描述了可以在特定傳感器陣列中看到的物體范圍，其計算方式為：主要放大倍率=傳感器尺寸/視場或視場=傳感器尺寸/主要放大倍率。 
   最后，需要尋找與所選相機配合使用時能滿足視場需求的鏡頭。通過為這一公式求解，可以了解需要哪種放大倍率的鏡頭，或者放大倍率或傳感器尺寸變化后可以獲得多大的視場。此外，還必須了解傳感器尺寸（也稱為芯片或傳感器幅面）才能使用這些公式。例如，所需視場=12.8mm、水平傳感器尺寸=6.4mm時，主要放大倍率=6.4mm/12.8mm，主要放大倍率=0.5X。 
   每個鏡頭都會產(chǎn)生一個主要放大倍率或主要放大倍率范圍，這不受所使用傳感器的尺寸影響，因為主要放大倍率是鏡頭的一種屬性。需要注意的是，如果鏡頭的焦距接近無窮遠，則其主要放大倍率接近于零。在這些情況下，使用視場角值可以更加輕松地確定視場。  

   圖1：主要放大倍率是鏡頭的一項屬性，描述了可以在特定傳感器陣列中看到的物體范圍。通過鏡頭的放大倍率，可以指定相應(yīng)的視場以顧及不同的成像器幅面。 
   工作距離 
   工作距離是指從鏡頭前端到被觀察物體之間的距離。一些鏡頭（如物鏡）具有固定的工作距離，但也有許多鏡頭的工作距離是在特定范圍內(nèi)的。盡管工作距離可能是需要指定的參數(shù)中最簡單的一個，但在確定適合應(yīng)用的最佳工作距離時，仍然必須考慮一些細節(jié)?？偟膩碚f，在考慮工作距離時，系統(tǒng)尺寸、移動部件、飛揚的碎屑以及照明等各方面都必須列入考量范疇。此外，鏡頭系統(tǒng)的放大倍率越高，工作距離就越長。如果需要在工作距離較長時達到較高的放大倍率，系統(tǒng)尺寸可以進一步增加。  

    圖2：工作距離是指從鏡頭前端到被觀察物體之間的距離。分辨率是被觀察物體的最小特征尺寸。鏡頭的景深是鏡頭在物體位置靠近或遠離最佳焦點時，保持所需圖像質(zhì)量的能力。 
     分辨率 
   分辨率是被觀察物體的最小特征尺寸。通過分析分辨率和對比度之間的關(guān)系，可以了解極為實用的調(diào)制傳遞函數(shù)。分辨率是對成像系統(tǒng)再現(xiàn)物體細節(jié)能力的測量。例如，假設(shè)一個白色背景上有一對黑色方形。如果這兩個方形在鄰近的像素上成像，則會在圖像中顯示為一個大的黑色矩形。為了加以區(qū)分，這兩個方形之間需要留出一定的空間。只要找出看見兩個方形所需的最小距離即可了解系統(tǒng)的分辨率極限。交替的黑白方形之間的關(guān)系通常被描述為線對。

    圖3：條狀目標由不同頻率的線對組成，而星標則由具有連續(xù)頻率的楔形組成。條狀目標中的正交線非常有用，因為通過圖像中x和y平面中所顯示不同的誤差，用戶能成功地測試出系統(tǒng)是否存在誤差（散光誤差）。條狀目標受到有限的頻率等級限制。星標沒有這一缺陷，但它們的解譯難度更高。 
     對比度 
    鏡頭對比度通常以再現(xiàn)物體的對比度百分比來定義。圖像的分辨率和對比度可以單獨定義，但同時也密切相關(guān)。實際上，沒有指定特定對比度的分辨率往往毫無意義。同樣地，對比度也取決于分辨率頻率。  

   圖4：對比度并不是常量，它取決于頻率。圖中上方的圓點可以通過鏡頭成像。它們略微模糊。如果斑點進一步移近，模糊部分將重疊，且對比度下降。斑點靠近到足以使對比度達到極限的距離時，其間距即為分辨率。 
    景深 
  鏡頭的景深是鏡頭在物體位置靠近或遠離最佳焦點時，保持所需圖像質(zhì)量的能力。景深也適用于具有一定深度的物體，因為高景深的鏡頭可以清晰呈現(xiàn)整個物體的圖像。當物體放置得過近或過遠而偏離工作距離時，鏡頭就會失焦，分辨率和對比度也都會受到影響。因此，只有同時定義了關(guān)聯(lián)分辨率和對比度的景深才有意義。 
    畸變 
   畸變是一種幾何光學(xué)誤差（像差）。在畸變中，有關(guān)物體的信息只是在圖像中發(fā)生了錯位，而非真正丟失。畸變可能具有幾種不同的形式：一種是單向畸變，也就是從圖像中心向邊緣偏移的一致性正/負畸變。單向畸變具有兩種形式：桶形（負）和枕形（正）。 
    最后，盡管要構(gòu)建一個完整的機器視覺系統(tǒng)，但必須了解其中的每個元件才能達到理想效果。所使用的光學(xué)元件可以顯著影響整個圖像的質(zhì)量，確保準確性和重復(fù)性，并且提高系統(tǒng)的總體速度。應(yīng)用成功的基礎(chǔ)是完全承認沒有哪個鏡頭可以解決所有應(yīng)用問題。