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工业镜头

发布时间:2018-09-10  来源:/news/100.html


镜头的基本功能就是实现光束变换(调制),在机器视觉系统中,镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直影响到机器视觉系统的整体性能,合理地选择和安装镜头,是机器视觉系统设计的重要环节。


镜头匹配

教大家如何选择合适镜头,镜头选配时需要选择与摄像机接口和CCD的尺寸相匹配的镜头。镜头C和CS的接口方式占主流。小型的安防用的CS接口摄像机得到普及、FA行业则大部分是C接口的摄像机与镜头的组合。对应的CCD尺寸、市场上一般根据用途使用2/3寸到1/3寸的产品。

CCD

CCD尺寸

水平:H

垂直:V

对角:D

1型

12.8

9.6

16.0

2/3型

8.8

6.6

11.0

1/2型

6.4

4.8

8.0

1/3型

4.8

3.6

6.0

1/4型

3.6

2.7

4.5

35mm胶片

36.0

24.0

43.3

 互换性

C接口镜头可以与C接口摄像机、CS接口摄像机互用;

CS接口镜头不可以应用在C接口摄像机,只可以应用在CS接口摄像机。

KERARE

摄像机如果使用配备小CCD尺寸的镜头,那么周边没有摄取到图像的部分呈现出黑色,我们称其为KERARE。

工业镜头作用

将折射率不同的各种硝材通过研磨,加工成高精度的曲面、把这些镜头进行组合,就是设计镜头。从伽利略时代开始使用的普遍技术是其基本原理。为得到更清晰的图像,一直在研究开发试制新的硝材和非球面镜片。

焦距

焦距是主点到成像面的距离。这个数值决定了摄影范围的不同。数值小,成像面距离主点近,是短焦距镜头。这种情况下的的画角是广角、可拍摄广大的场景。相反的、主点到成像面的距离远时、是长焦距镜头,画角变窄(望远)。

镜头通光量


镜头的明亮度与口径和焦距的变化有关。一般用F值表示镜头的明亮度,另外镜头里有用于调整亮度的光圈构件,可根据使用条件来调整通光量。

镜头计算公式


Y=f*tanθ y:像的大小 f:焦距θ:半画角

θ=2tan-1*y/2f

例:1/2寸摄像机配12.5mm镜头时画面横向的视场面是:

θ=2tan-1*6.4/2*12.5=28.72

镜头的景深


物体和镜头之间距离(W.D)虽然变化,介在前后一定范围内所成像仍然感觉清晰,这个距离范围补称为景深。相反的,对应于确定的物平面,成像面和镜头之间的距离不同,但在一定的范围内图像仍感觉清晰,称为焦深。

计算方式:

景深=F*ε*(1/β)

ε容许弥散园参数2/3=0.02、1/2=0.015、1/3=0.01、β倍率

工业镜头选择


不同工业镜头的成像质量有着有着千差万别, 就算是同一类型的工业镜头也是如此,这主要是由于材质、加工精度和镜片结构的不同等因素造成的,同时也导致不同档次的工业镜头镜头价格从几百元到几万元的巨大差异。比较著名的如四片三组式天塞镜头、六片四组式双高斯镜头。对于镜头设计及生产厂家,一般用光学传递函数OTF (Optical Transfer Function)来综合评价镜头成像质量,光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息,光学系统在传递被摄景物信息时,被传递之各空间频率的正弦波信号,其调制度和位相在成实际像时的变化,均为空间频率的函数,此函数称为光学传递函数。OTF一般由调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)与位相传递函数PTF(Phase Transfer Function )两部分组成。

像差是影响图像质量的重要方面,常见的像差有如下六种:

球差:由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,若原光束不同孔径角的各光线,不能交于主轴上的同一位置,以至在主轴上的理想像平面处,形成一弥散光斑(俗称模糊圈),则此光学系统的成像误差称为球差。

慧差:由位于主轴外的某一轴外物点,向光学系统发出的单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,若在理想像平面处不能结成清晰点,而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑,则此光学系统的成像误差称为慧差。

像散:由位于主轴外的某一轴外物点,向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,不能结成一个清晰像点,而只能结成一弥散光斑,则此光学系统的成像误差称为像散。

场曲:垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像,若不在一垂直于主轴的像平面内,而在一以主轴为对称的弯曲表面上,即最佳像面为一曲面,则此光学系统的成像误差称为场曲。当调焦至画面中央处的影像清晰时,画面四周的影像模糊;而当调焦至画面四周处的影像清晰时,画面中央处的影像又开始模糊。

色差:由白色物体向光学系统发出一束白光,经光学系统折射后,各色光不能会聚于一点上,而形成一彩色像斑,称为色差。色差产生的原因是同一光学玻璃对不同波长的光线的折射率不同,短波光折射率大,长波光折射率小。

畸变:被摄物平面内的主轴外直线,经光学系统成像后变为曲线,则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状,而不影响影像的清晰度。这是畸变与球差、慧差、像散、场曲之间的根本区别。

在评价工业镜头质量时一般还会从分辨率、明锐度和景深等几个实用参数判断:

1.分辨率(Resolution):又称鉴别率、解像力,指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力,制约工业镜头分辨率的原因是光的衍射现象,即衍射光斑(爱里斑)。分辨率的单位是"线对/毫米" (lp/mm)。

2. 明锐度(Acutance):也称对比度,是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。

3.景深(DOF):在景物空间中,位于调焦物平面前后一定距离内的景物,还能够结成相对清晰的影像。上述位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影像的景物间之纵深距离,也就是能在实际像平面上获得相对清晰影像的景物空间深度范围,称为景深。

4. 最大相对孔径与光圈系数:相对孔径,是指该工业镜头的入射光孔直径(用D表示)与焦距(用f表示)之比,即:相对孔径=D/ f 。相对孔径的倒数称为光圈系数(aperture scale),又称为f/制光圈系数或光孔号码。一般镜头的相对孔径是可以调节的,其最大相对孔径或光圈系数往往标示在工业镜头上,如1:1.2或f/1.2 。如果拍摄现场的光线较暗或曝光时间很短,则需要尽量选择最大相对孔径较大的工业镜头。

工业镜头各参数间的相互影响关系

一支好的工业镜头,在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好的体现,对各种像差的校正也比较好,但同时其价格也会几倍甚至上百倍的提高。如果我们掌握一些规律和经验,就可以使用同档次的工业镜头达到更好的效果。

1.焦距大小的影响情况

焦距越小,景深越大;

焦距越小,畸变越大;

焦距越小,渐晕现象越严重,使像差边缘的照度降低;

2. 光圈大小的影响情况

光圈越大,图像亮度越高;

光圈越大,景深越小;

光圈越大,分辨率越高;

3. 像场中央与边缘

一般像场中心较边缘分辨率高

一般像场中心较边缘光场照度高

4. 光波长度的影响

 采用技术

1. 调焦技术

对于镜头来讲,不同物距上的目标成像的像距是不同的。对于需要观察的目标,它的成像面不一定与相机感光面重合,为了得到清晰像,就需要调整成像面的位置使之与感光面重合,这个过程就是调焦。

整组移动
这种调焦方式,就是调节过程中整个镜头一起前后移动,带动像面随之移动,在像面与相机感光面重合时,成像最清晰。这种整体调焦方式,不改变镜头的光学结构,镜头焦距没有变化。

单组移动
还有一种调焦方式,就是调节镜头中的某一组透镜,使它想对于其他透镜前后移动,也能带动像面平移,最终使像面与感光面重合,达到成像清晰。这种调焦方式,改变了镜头的光学结构,镜头焦距有所变化(一般不大)。

例如,前面的透镜组对无穷远的目标成像在Image面上(也是CCD感光面位置),后工作距离L',现在要对近处目标成像,像面位置在Image',为了成像清晰需要调焦。

一种办法就是整个透镜组一起相对CCD往前移动,使后工作距离扩大到L",CCD感光面与像面重合,成像清晰。这种办法就是整组移动式调焦。如下图所示。

还有一种调焦办法:只移动透镜组中的某一(或几个一起)单透镜,也能达到调焦的目的,如下图所示。将第四透镜从位置A向前移动到A',对近距离的目标来说,成像面也回到与CCD重合的位置,使成像清晰。这种调焦方式就称为单组移动式调焦。

2. 变焦技术

所谓变焦,指的是镜头本身可以通过调节,使焦距有较大的变化范围(通常用焦距变化的倍数来衡量,例如4倍变焦指最大焦距是最小焦距的4倍)。这种镜头使用中,可以通过变焦,改变成像放大倍率(在"大场景"和"局部特写"之间随意转换),适应性强,使用范围很广。

变焦的实现方式:变焦过程中,通过光学系统中的两组(或更多)透镜相对移动,改变整个系统(镜头)的组合焦距,且同时保证像面位置不动,使图像放大倍率改变而且成像始终清晰。

它与单组移动式调焦不同的,单组移动式调焦意在改变成像面的位置(虽然也会引起镜头焦距的微小改变);而变焦意在改变镜头的焦距(一般都是数倍的改变),它要求稳定像面不动。

3. 自动光圈

调节镜头的光圈,实质上是改变了孔径光阑的孔径大小,从而改变了进光量,达到成像面亮度调节的目的。

这个过程,可以手动完成,也可以通过电机驱动来完成,后一种实现方式就是自动光圈调节。

4. 远心(焦阑)镜头

远心光路,一般地,可以分为物方远心光路和像方远心光路两种

孔径光阑位于镜头像方焦面上("焦阑"因此得名),入瞳位于物方无限远处,这样的光路称为物方远心光路。这种光路的特点:物方入射主光线(红色表示)与光轴平行。

孔径光阑位于物方焦面上,出瞳位于像方无限远处,这样的光路称为像方远心光路。这种光路的特点是:像方出射主光线(红色表示)与光轴平行。

这两种光路本质上是相通的,是同一种光路(焦阑)的正向和反向应用。它们较多的出现在测量仪器中,结合实际的应用会表现出格子的特点,需要加以注意。物方远心光路的成像特点是:像的大小对物距不敏感,但是对像距很敏感;而像方远心光路的成像特点是,像的大小对物距很敏感,但是对像距不敏感。

采用这两种远心光路设计制作的镜头,分别称作物方或者像方远心镜头。



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