机器学习与知识发现_机器视觉学习之工业镜头--硬件知识扫盲学习

今天我来介绍一下工业镜头的相关知识。在前些章节,我介绍了关于光源的知识,没看的同学可以前往观看

机器视觉学习之光源--硬件知识扫盲必看

如果工业相机没有镜头,那么Sensor感光就是一片噪点,聚焦不在物体上。镜头的作用是收集反射在物体表面的光并将其聚焦在CCD/CMOS上面。镜头就好比人的眼睛一样,人要看清楚一个物体,需要先构图聚焦到某一个物体上,晶状体相当于镜头,光线通过晶状体映射在眼球后部的视网膜上,视网膜上有很多感光细胞,此是视神经将这个信息传递给大脑,人就会感知到物体。

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人眼成像

镜头一般由光学系统和机械装置构成,有些镜头也集成了自动调光圈、自动调焦的功能,小编也在实际项目中有用过此类镜头,主要做产品的兼容,比如需要满足不同大小、不同高度的产品,提高设备的柔性。

  1. 镜头按照焦距大小可以分为长焦镜头、标准镜头、广角镜头等
  2. 按照通常可以分为安防用镜头(CCTV)、工业自动化镜头(FA)、广播级别镜头、高清系电视用镜头
  3. 机器视觉行业通常有定倍镜头、变焦镜头、远心镜头、宏镜头、高清百万像素镜头、线扫镜头、内窥镜头等等。

这些没有严格的划分界限。

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镜头

  • 在这里,我主要介绍一下工业镜头的参数和如何选型。

镜头参数

焦距

  • 焦距是从镜头的中心点到焦平面上锁形成的清晰图像的距离,焦距的大小直接决定视场的大小,焦距数值小,视野大,所观察的范围也越大,焦距数值大,视角小,所观察的范围小。根据焦距是否能调节,可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。
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焦距和视野

光圈

  • 镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量,每个镜头上都标有最大F值,例如8mm/F1.4代表最大孔进为5.7mm,F值越小,光圈越大,F值越大,光圈越小
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光圈

最大兼容CCD尺寸

  • 镜头成像直径需要覆盖CCD/CMOS的芯片尺寸。如下图中所示左边为尺寸表格,右边展示了镜头尺寸小于CCD尺寸和镜头尺寸大于CCD尺寸效果,可以看到,镜头尺寸小于CCD尺寸会在图像的四个角留下黑色的边框,因为这部分已经被镜头挡住了。
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Sensor大小与镜头关系

接口

  • 镜头和相机连接接口,最常用的有C、CS、F、V、T2、Leica、M43*1、M75*0.75等接口。

景深

  • 景深是指在被拍摄的物体聚焦清晰后,在物体前后一定距离内,任然可以看清楚的范围。景深随着镜头的光圈值、焦距、拍摄距离变化变化而变化。光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大。焦距越长,景深越小,焦距越短,景深越大;距离拍摄物体越近时,景深越小;距离拍摄物体圆时,景深越大
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景深

分辨率

  • 分辨率代表镜头记录物体细节的能力,以每毫米里面能够分清黑白对线数量为计量单位“线对/毫米”。分辨率越高的镜头成像越清晰,价格也越贵。
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分辨率线对

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典型的分辨率测试图表

工作距离

  • 镜头第一个工作表面到被测物体的距离
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工作距离

视野范围

  • 相机实际拍摄到的尺寸大小,用FOV表示。

光学放大倍数

  • CCD/FOV,芯片尺寸除视野范围

后背焦

  • 准确来说,后倍焦是相机的一个参数,值相机接口平面到芯片的距离,但在线阵扫描经呕吐或者大面阵相机镜头选型时,后倍焦是一个非常重要参数,它直接影响镜头配置。

镜头选型

远心镜头

  • 在这里,我分了一下,按照实际应用来,如果是单纯的测量任务我们选择远心镜头,如果我们的产品是10*8mm大小,那么我们一般在选择的时候视野大小选择产品大小1.5~2倍左右,那么选择远心镜头倍率就可以选择0.5~0.6倍都可以,远心镜头视野就是芯片尺寸除以倍率。
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远心镜头倍率表(图示,每个厂家都有自己产品型录)

FA镜头

选择镜头接口和最大CCD尺寸

  • 镜头接口要根据相机接口匹配或者可以加转接环匹配,镜头可以支持最大的CCD尺寸大于等于相机Sensor尺寸

选择镜头焦距

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计算焦距图示

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焦距计算

  • 在已知芯片尺寸、工作距(WD)和视野(FOV)的情况下,可以计算出所需要镜头的焦距f

选择镜头光圈

  • 镜头的光圈大小决定图像的亮度,在拍摄高速移动的物体这个参数尤其重要,曝光时间要求很短,需要选用大光圈镜头,以提高图像的对比度。

景深

  • 这需要根据你的应用场景来具体选择, 如果你项目情况是产品有一定高度差,需要都能够看清楚,你就需要看重这个参数了。

环境

  • 这一步可选,需要根据你的实际情况来,严格的说也不算在选择镜头里面,有些应用场景需要滤光片,把不需要的光过滤,以免影响图像质量

这是选择镜头的一般步骤。

当然,在机器视觉项目中,会根据实际项目情况选择一些其他的配件,比如使用接圈、转接环以及特殊应用可以跟生产厂家沟通定制镜头。

在实际应用中,我发现25mm/35mm的镜头使用的最广泛。

我是 机器视觉工程师,多年视觉软件开发老司机,关注我,带你视觉软件开发从入门到精通。

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