视觉系统构建(二)——工业镜头

视觉系统构建一般顺序：工业相机->工业镜头->视觉光源->外围设备

 

 一、工业镜头简介

    镜头等同于针孔成像中针孔的作用，与其不同的有两方面，一方面镜头的透光孔径比针孔大很多倍，能在同等时间内接纳更多的光线，使相机能在很短时间内（毫秒到秒级）获得适当的曝光；另一方面，镜头能够聚集光束，可以在相机胶片上产生比针孔成像效果更为清晰的影像；

1.1 镜头的组成

机器视觉常用定焦镜头，并且都是手动调整光圈，一般不允许自动调整光圈，镜头上有调焦和调光圈两个环，为了防止误碰动，工业镜头的两个环都有锁定螺丝。

注意：调焦环不是用来调整焦距，而是调整像距，保证清晰图像落在焦平面上

1.2 工业镜头的接口

    物镜的接口有三种国际标准：F接口、C接口和CS接口。F接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头，当物镜的焦距小于25mm时，物镜的尺寸不大，一般采用C型或CS型接口，两者区别如下：

（1）C与CS型接口的区别在于镜头与相机接触面（基准面）至相机焦平面（摄像机CCD光电感应器所处位置）的距离，即法兰距不同，C型接口法兰距为17,562mm，CS型接口法兰距为12.5mm。

（2）C型接口镜头与CS型相机之间增加一个5mm的C/CS转接环可以配合使用，CS型接口与C型接口相机无法配合使用。

1.3 工业镜头基本参数

(1)   视场：Field of View，即FOW，也叫视野范围，指可以观测到的物体的可视范围。

    工作距离：WorkingDistance，指从镜头前部到受检物体表面的距离，在该距离下镜头可以清晰成像。一般通过这两个公式来确定最佳工作距离和视野，比例公式为：工作距离:视野 = 焦点距离:CCD尺寸

    一般情况下，根据所要拍摄的视野大小就可以确定相机的工作距离，当我们要减小视野的时候，在不改变镜头的情况下，需要减小工作距离，当工作距离改变时，镜头不一定能够清晰聚焦，镜头前端一般有一个调焦环，用来改变像距的大小，首先调节调焦环，当调节调焦环无法清晰成像的时候，就应该考虑加接圈（增加像距大小）。相应的，当去掉接圈的时候，像距减小，工作距离增加，视野变大。同样，在工作距离不变的情况下，增大视野，则需要减小镜头焦距大小，焦距太小时，所拍摄的图像畸变大，因此需要综合考虑。

(2)   分辨率：Resolution，指镜头可清晰分辨被拍摄物体细节的能力，在像平面1mm内可以分辨开的黑白相间的线条对数，分辨率的单位是“线对/毫米”（lp/mm）。一般说的百万象素级的镜头,分辨率为100线对/mm。

(3)   景深：Depth of View，在景物空间中，位于调焦平面前后一定距离内还能够清晰成像的纵深距离，也就是在实际像平面上获得相对清晰影像的景物精简深度范围。

(4)   焦距：Focal Length，焦距是从镜头的中心点到焦平面上所形成的清晰影像之间的距离，焦距数值小，视角大，所观察到的范围也大，但距离远的物体成像不是很清晰，焦距数值大，视角小，观察范围小，但距离较远的物体也可以清晰成像，有定焦和变焦两种镜头型号。相见的工业镜头焦距有：5mm、8mm、12mm、25mm、35mm、50mm、75mm等。一般来讲，焦距越小，价格越贵。

(5)   光圈：Iris，是一个用来控制光线透过镜头进入机身内感光面光量的装置，在拍摄高速运动物体时候，由于曝光时间短，需要使用大光圈。光圈大小一般用F表示，以镜头焦距f和通光孔径直径D的比值来衡量，当光圈物理孔径不变时，镜头中心与感光器件距离越远，F值越大，光圈越小；反之，F值越小，光圈越大。一般通过调整通光孔径大小来调节光圈，完整的光圈数值系列如下：F1，F1.4，F2，F2.8，F4，F5.6，F8，F11，F16，F22，F32，F44，F64。光圈F数值每升高一个等级，意味着通光孔径的面积即进光量降低一半。

（6）最大兼容CCD尺寸：所有镜头都只能在一定的范围内清晰成像，最大兼容CCD尺寸是指镜头能支持的最大清晰成像的范围。在实践选择相机和镜头时，要注意所选择的镜头的最大兼容CCD尺寸要大于或等于相机芯片的尺寸。CCD芯片尺寸的大小如下图所示：

（7）镜头畸变：镜头在成像时，特别是用短焦距镜头拍摄大视场，图像会产生形变，这种情况叫做镜头的畸变，这是由于镜头的光学结构和成像特性导致的，原因是由于视野中局部放大倍数不一致造成的图像扭曲。拍摄的视场越大，所用的镜头的焦距越短，畸变的程度就越明显，一般有桶型畸变和枕型畸变两种，可以通过图像标定减弱这种平面畸变的影响。

 

二、选型指南

下面以定焦镜头为例，介绍镜头的一些主要参数和项目之间的关系以及选型时需要注意的：

• 焦距 这个参数是工业镜头主要参数，与图像采集系统的工作距离息息相关，焦距越长要求的工作距离也就越长，通常来说工作距离取决于设备安装空间，推荐选用16mm~35mm（常见的是16mm、25mm、35mm）焦距段的工业镜头，因为小于16mm焦距的镜头一般都会有比较明显的畸变，这样在项目软件实施时，需要先在软件上进行畸变校正，从而影响检测效率，并且畸变校正不准确，对检测精度影响非常大，而大于35mm焦距的工作距离一般来说又比较大，不太适合用在设备上。 
• 光学尺寸 光学尺寸是指能适配的工业相机最大传感器尺寸，现在市面上比较常见的是2/3”，性价比也是最高的，选择光学尺寸时，应该镜头的光学尺寸大于或等于相机传感器的光学尺寸。
• 视场角 视场角是光线能够通过镜头的最大角度，焦距越长视场角相对越小，对于同一工业镜头与不同传感器尺寸的相机搭配使用时，视场角是不同的但却是唯一的，项目我们通常知道要观测的视场范围以及工作距离，在确定了相机光学尺寸后，我们即可利用三角函数计算出视场角，选定镜头时，只需选定最接近的视场角即可。分辨率 镜头的分辨率不同于相机的分辨率，但是却相关，它是描述镜头解像力的参数，不必追求具体的意思，只需选择尽量接近与相机分辨率的镜头即可，当然还要兼顾价格。 镜头接口镜头的接口选择与相机统一即可，比如相机是C接口，那么镜头选择C接口，如果相机是CS接口，那么通常可以通过转换环转换为C接口，这其中情况下，既可以选择CS接口，也可以选择C接口。
• 光圈值 通常表示为Fx.x或者1：x.x，这个参数可不必专门考虑，只需要了解，越小表示可进入镜头的光线越多。

 

 三、选型注意点

1. 视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头，以有利于运动控制。
2. 景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选择高景深的尖端镜头。
3. 芯片大小和相机接口 ：例如2/3”镜头支持最大的工业相机耙面为2/3”,它是不能支持1英寸以上的工业相机。
4. 注意与光源的配合，选配合适的镜头 。

 

参考：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/27893479

https://blog.csdn.net/lihuajie1003/article/details/72459402