精华总结|机器视觉硬件之镜头

内容提要

1.镜头定义:介绍光学镜头的定义

2.镜头分类:从球面镜到非球面镜,从定焦到变焦,从短焦到长焦,尽可能           多的阐述镜头种类

3.镜头参数:以Computar镜头为例,实例分析镜头参数

4.镜头成像影响因子:分析影响镜头成像各种工艺误差

5.工业镜头常见种类:罗列几种常用的工业镜头

6.镜头选型因素:介绍影响镜头选型的考虑因素

1.镜头定义

用以生成影响的光学部件即是镜头。在机器视觉中,镜头一般由多片透镜组成,直接影响成像质量的优劣。

2.镜头分类

按照外形功能:球面镜头、非球面镜头、针孔镜头、鱼眼镜头

按照焦距:短焦镜头、中焦镜头、长焦镜头

按照视场大小:广角镜头、标准镜头、远摄镜头

按照结构:固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动变焦镜头、启动光圈电动变焦镜头、电动三可变(光圈、焦距、聚焦)镜头

下面会依次介绍这些种类镜头。

球面镜头

反射面为球面

镜头的镜片为球面

成本低

像差大,成像质量一般

非球面镜

折射面不是球面

减少镜片像差

一般镜片组会有一、两片非球面镜

针孔镜头

镜头针头大小

摄像组件硬币大小

鱼眼镜头

焦距极短

视角接近180°

固定光圈定焦镜头

光圈固定不可调

结构简单,价格便宜

安防行业

手动光圈定焦镜头

光圈范围F1.2-F3.5不等

光圈可手动,对焦也可手动

CCTV镜头

自动光圈定焦镜头

光圈外环增加齿轮啮合传动的微型电机

手动光圈变焦镜头

焦距可变

焦距调整环

手动变焦

自动变焦

自动光圈电动变焦镜头

微型电机与镜头的变焦环配合

电动三可变镜头

光圈可电动改变

焦距可电动改变

对焦可电动改变

电影摄像机

长焦镜头

拍摄距离远

景深小

135mm-500mm

500mm以上超长焦距

标准镜头

视角约50°

35mm

微距镜头

工作距离非常短

微距接圈可使工作距离变短

广角镜头

视角90°以上

折射式望远镜

焦距非常长

长达几米

太空探测

反射式望远镜

反射镜面

太空望远镜

3.镜头参数

主要镜头参数如下

焦距f —从透镜中心到光聚集之焦点的距离;

畸变 —光学透镜的透视失真;

景深DOF —指在被摄物体聚焦清楚后,在物体前后一定距离内,其影像仍然清晰的范围;

光圈系数F —镜头焦距/通光孔径,即光通量;

视场FOV —镜头能够观察到的实际范围的大小;

分辨率 —代表镜头记录物体细节的成像能力;

工作距离WD —从镜头到被检测物体的距离;

最大兼容芯片尺寸 —镜头能支持的最大清晰成像的范围;

光学放大倍率β —相机芯片尺寸/视场尺寸;

镜头接口 —C口和CS口,C口镜头加5mm延长管可用于CS口相机;

支持芯片尺寸 —2/3’,1/2’等支持相机尺寸,镜头支持尺寸需大于等于配套相机 尺寸。

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实例分析镜头参数,以Computar镜头为例。

左列参数:

镜头型号:M2514—MP2 焦距25,光圈1.4 百兆镜头

相机实物图片

相机尺寸:长、直径等

中间参数:

焦距:25mm

最大光圈(F数):1.4-16

最大图像格式(最大传感器尺寸):8.8mm*6.6mm(φ11mm),2/3‘’

工作范围:光圈 F1.8-F16.0 对焦:0.15mm-无穷远

控制:光圈手动,对焦手动

目标尺寸:10.6cm(H)*7.6cm(V),2/3‘’

视场角:2/3‘’,直径_24.9°,水平_20.0°, 垂直_15.1°

          1/2‘’,直径_18.2°,水平_14.6°, 垂直_11.0°

工作温度:-10°–50°

畸变:2/3‘’,-0.3%(y=5.5),1/2‘’,-0.1%(y=4.0)

后焦距:13.1mm,是指厚透镜最后一个光学表面到后焦平面的距离

法兰焦距:17.526,镜头与相机连接的表面到成像靶面的距离

接口:C口

滤光片尺寸:M30.5 P=0.5mm 指镜头前端添加滤光片的尺寸

尺寸:33.5mm*36.0mm

重量:71g

右列参数:

工作距离 光学倍率 接圈 不同芯片下的视野范围

描述不同工作距离与镜头放大率、不同芯片下的视野范围的关系。

从数据上看,工作距离越小,光学放大倍率先增大后减小,视场越来越小,且芯片尺寸约大,视场越大。

俩个有关镜头参数的重要关系:

  1. 光圈越小,景深越大

2.工作距离越大,失真越小

4.镜头成像影响因子

像差,实际工作中光学系统所成的像与近轴光学(高斯光学,理想光学),有一定偏离,这个偏离称为像差。

像差有球面像差、彗形像差、像散、场曲、畸变以及波长引起的色散。

球差:焦点不能以点的方式集中于光轴

慧差:焦平面所得到的像称慧尾形状的亮斑

像散:成像不清晰、

场曲:在一个平坦的像平面上,影响的清晰度从中央像外发生变化,聚焦形成 弧形。

畸变:物体上的志向经过透镜成像后变成弯曲的现象。镜头边缘的放大率大于中间放大率,枕型畸变,镜头边缘的放大率小于中间放大率,桶型畸变。

色差:投射材料折射率随波长变化,物体点发出不同的波长光线时,经过光学 系统不会聚在一点,形成有色的弥散斑。

5.工业镜头常见种类

CCTV镜头

机器视觉常用的普通镜头

定焦

手动可调光圈

手动对焦

远心镜头

极低畸变

大景深

放大倍率不变

解析度高

物方远心镜头:消除物方由于调教不准确带来的读数误差

物距发生改变,测得物体尺寸不变

像方远心镜头:消除像方调焦不准引入的测量误差

CCD芯片安装位置有改变,CCD成像大小不变

双侧远心镜头:兼顾优点,视觉测量

显微镜头

更高放大倍数

线阵镜头

F口

搭配线阵相机

变焦镜头

不同位面的目标进行检测

定焦镜头+丝杠类似于变焦

6.镜头选型因素

视野FOV:拍摄目标的大小

工作距离WD:镜头到目标的距离

镜头接口:C、CS等

镜头分辨率:镜头分辨率需要比相机大。在实际应用中,百万像素也可以胜任500万相机

景深:目标可清晰成像的范围

畸变:高精度尺寸测量时需要注意

视场、工作距离、传感器决定镜头的焦距

其他参数决定镜头的品质,包括远心、显微、低畸变、高分辨率等

镜头参数间相互关系:

焦距大小影响情况:

焦距越小,景深越大;

焦距越大,畸变越小;

光圈大小影响情况:

光圈越大,图像亮度越高;

光圈越大,景深越小;

最大光圈越大,分辨率越高;

光圈越大,畸变越严重;

成像中央与边缘情况:

成像中央分辨率、光强、畸变都要比边缘高

光波长的影响情况:

波长越短,图像分辨率越高

单色光干扰小

高精度测量需采用短波长单色光照明

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