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4.65μm，C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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