工业镜头技术入门知识

工业镜头技术入门知识
整理:视清科技
1、镜头的分类
      镜头种类繁多,已经发展成一个庞大的体系,以适应各种场合条件下的应用。对镜头的划分也可以从不同的角度来进行:
a、按工作波长分:紫外、可见光、近红外、红外,按照应用还有X-ray镜头之分
b、变焦与否:定焦、变焦
c、工作距离:望远物镜(物距很大)、普通摄影镜头(物距适中)、显微镜头(物距很小)
其它类别则有:
线阵镜头:配合线阵相机使用的镜头。采用扫描式的工作方式,需要镜头与目标相对运动,每次曝光成像一条线,多次曝光组成一幅图像;线阵扫描成像的特点:CCD线阵方向的图像分辨率固定,而在目标的运动方向上,空间采样频率与运动的相对速度有关;从成像的角度讲,线阵镜头和其它类型的镜头并没有本质的差异,只是对镜头的使用方式不同而已。 
显微镜头:为了看清目标的细节特征,显微镜头一般使用在高分辨率的场合。它们基本的特点是工作距离短,放大倍率高,视场小。
2、如何选择镜头
       镜头的选择过程,是将镜头各项参数逐步明确化的过程。作为成像器件,镜头通常与光源、相机一起构成一个完整的图像采集系统,因此镜头的选择受到整个系统要求的制约。一般地可以按以下几个方面来进行分析考虑。
1)波长、变焦与否
        镜头的工作波长和是否需要变焦是比较容易先确定下来的,成像过程中需要改变放大倍率的应用,采用变焦镜头,否则采用定焦镜头就可以了。
        关于镜头的工作波长,常见的是可见光波段,也有其他波段的应用。是否需要另外采取滤光措施?单色光还是多色光?能否有效避开杂散光的影响?把这几个问题考虑清楚,综合衡量后再确定镜头的工作波长。
2)特殊要求优先考虑
        结合实际的应用特点,可能会有特殊的要求,应该先予明确下来。例如是否有测量功能,是否需要使用远心镜头,成像的景深是否很大等等。景深往往不被重视,但是它却是任何成像系统都必须考虑的。
3)工作距离、焦距
       工作距离和焦距往往结合起来考虑。一般地,可以采用这个思路:先明确系统的分辨率,结合CCD像素尺寸就能知道放大倍率,再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离,进一步估算镜头的焦距。所以镜头的焦距是和镜头的工作距离、系统分辨率(及CCD像素尺寸)相关的。
4)像面大小和像质
        所选镜头的像面大小要与相机感光面大小兼容,遵循“大的兼容小的”原则——相机感光面不能超出镜头标示的像面尺寸——否则边缘视场的像质不保。
像质的要求主要关注MTF和畸变两项。在测量应用中,尤其应该重视畸变。
5)光圈和接口
        镜头的光圈主要影响像面的亮度。但是现在的机器视觉中,最终的图像亮度是由很多因素共同决定的:光圈、相机增益、积分时间、光源等等。所以为了获得必要的图像亮度有比较多的环节供调整。
镜头的接口指它与相机的连接接口,它们两者需匹配,不能直接匹配就需考虑转接。
6)成本和技术成熟度
        如果以上因素考虑完之后有多项方案都能满足要求,则可以考虑成本和技术成熟度,进行权衡择优选取。 
例如,要给硬币检测成像系统选配镜头,约束条件:相机CCD 2/3英寸,像素尺寸4.65μmC接口。工作距离大于200mm,系统分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。
基本分析如下:
        与白色LED光源配合使用的,镜头应该是可见光波段。没有变焦要求,选择定焦镜头就可以了;
        用于工业检测,其中带有测量功能,所以所选镜头的畸变要求小;
        工作距离和焦距;
 
成像的放大率M=4.65/(0.05x1000)=0.093
焦距F=L*M/(M+1)=200*0.093/1.093=17mm
物距要求大于200mm,则选择的镜头要求焦距应该大于17mm
        选择镜头的像面应该不小于CCD尺寸,即至少2/3 英寸;
        镜头的接口要求是C口,能配合相机使用。光圈暂无要求。
从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的“轮廓”:焦距大于17mm,定焦,可见光波段,C接口,至少能配合2/3英寸CCD使用,而且成像畸变要小。按照这些要求,可以进一步的挑选,如果多款镜头都能符合这些要求,可以择优选用。
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