如何测试工业镜头的性能？工业镜头的5个重要参数

工业镜头和其他镜头，例如单反镜头、安防镜头、手机镜头，在使用场景上、性能上、设计上和生产上都是有差异的。所以要在挑选工业镜头之前，我们需要了解工业镜头的测评的指标，专业精密的镜头测试仪器可以对一支镜头给出几十页的报告，价格也非常昂贵。作为镜头使用者而非生产者，使用一些简单的工具和算法也能实现镜头评测。

分辨率

分辨率是[工业镜头]的重要参数，指的是它能分辨开两个靠近的点物的能力。一般使用每毫米线对数LP/mm来表示，使它描述了镜头能分辨最小距离的能力。我们可以把镜头可以看成是一个低通滤波器。信息经过镜头后，带有细节的高频信息会有所减弱。

分辨率单位的意思是在每毫米里面能分辨多少对像素，例如200LP/mm，就是在1毫米里面能分辨200对像素，就是400个，也就是说相机方面的像元要在1除以400，也就是2.5微米，这样镜头的分辨率才不会被浪费。

测试镜头分辨率时，我们一般使用分辨率板USAF1951（图1），USAF1951可以读取镜头能分辨细小的线宽，我们就可以准确的读出镜头的物方分辨率。就可以知道系统的分辨能力，然后通过放大倍率的换算可以换算成像方分辨率。再和相机的分辨率做比较，就可以知道镜头和相机是否匹配了。

图1

在测试的时候一定要把视野中心调至清晰，再分别读取中心和四角的读数。注意下，不同的镜头对比测试时，要保证光圈和工作距离的一致。测试分辨率至少要测中心和四角5个点，好的镜头四角成像差异不大。对FA镜头来说中心成像肯定优于边缘。

图2

图2 为两款同样规格不同生产厂商的镜头，一个镜头有明显的场曲即中心和周边分辨率相差过大。

畸变

畸变是相差的一种，是由于一对共轭面上的放大率并不是常数而引起的，即轴上物点与视场边缘具有不同的放大率，物和像因此不再完全相似，一般离视野中心越远放大倍率变化越大。畸变不影响成像的清晰度，

对于畸变的表示方法分为：光学畸变和TV畸变，光学畸变它体现了图像上的点实际位置和理想位置的偏差。而TV畸变体现了图像的扭曲程度。光学畸变的值近似等于TV畸变的3倍。TV畸变=△h/h，光学畸变=△y/y。

图3左边是TV畸变，右边是光学畸变

Halcon等图像处理软件在标定畸变时用光学畸变。例如使用圆点标定板就可以根据已知的点的坐标和拍摄的坐标之间的偏差来计算光学畸变。如果不使用Halcon软件，可以根据光学畸变的定义写个程序。使用棋盘格来拍摄（图4），读取物空间坐标和图像坐标，获取差值，再除以到中心点的距离，就知道了一个点的畸变值。但光学畸变是非线性的，尤其是混合畸变，可能出现中心枕形边缘桶形畸变。所以要尽可能多地采集点，拟合畸变曲线。如果要测量TV畸变也是一样的。

图4

相对照度

相对照度，指的是视野边缘位置的亮度和中心位置亮度的比值，一般用百分比表示。在图像上表示为中心亮度比边缘的亮度高，导致这样的问题是因为渐晕现象造成的，即部分光线的边缘被镜筒或镜片边缘挡掉，（图5）导致相机边缘接收到的光能减少。过大的亮度差会导致图像过曝和欠曝的问题，从而导致成像不清问题。

图5

测试工业镜头相对照度我们一般使用拍摄柔光背景来测试，使用一个较大的亮度均匀的面光源，漫射板要离光源足够远，来保证光源的均匀性。然后取中心和边缘区域点的亮度值，再除以中心区域灰度值，就得到了镜头的相对照度，拍摄的时候可以使用动态范围较好的相机，因为相对照度是非线性的我们可以画出相对照度和点位的位置关系图。图像的亮度是从中心到周边逐步变暗的，各方向没有差别，所以只要对一个角取值。相对照度是会随着工作距离变化，一般工作距离越近，相对照度越高。光圈越小，亮度越均匀，相对照度越高。

图6相对照度曲线

对比度

对比度是黑白线对的最亮和最暗的反差，如图7，黑色和白色的条纹的灰度值的差和和的比值就是对比度。计算公式为

图7

MTF表示各不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后，对比度的衰减程度。不同强度的正弦波我们可以认为是不同宽度的黑白线对。空间频率越高，成像后的对比度下降越严重。我们可以通过使用不同宽度的黑白线对，来绘制MTF图像，描述镜头的性能。

对比度在实际的使用中，因为不良点和正常点常常只有个位数的灰度值差异，对比度低的镜头很难将不良点分辨出来。如图8

图8

抗眩光

眩光是因为光线在镜头内部扩散和反射造成的。（图9）红色箭头指出的伪影就是眩光。

图9

眩光是由于光线在通过这些单独的透镜的时候，除了大部分直接穿过去之外，还有一部分的光线会被透镜的表面反射回去这些在镜头内部的反射光最终会有一部分到达传感器上，形成这些光斑，就是我们说的镜头眩光了。（图10）

图10

工业镜头比起安防、单反镜头，对抗眩光的要求不高。这是因为大部分机器视觉应用打光较均匀，环境稳定，强光直射入镜头的情况比较少。用一个强光手电筒，或者手机的补光灯可以简单测试镜头抗眩光的能力。

如果在项目中遇到眩光，可以调整光源角度，或者安装偏振片。实在不行就需要更换镜头。