工業鏡頭技術入門知識

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工業鏡頭技術入門知識

整理：視清科技

1、鏡頭的分類

       鏡頭種類繁多，已經發展成一個龐大的體系，以適應各種場合條件下的應用。對鏡頭的劃分也可以從不同的角度來進行：

a、按工作波長分：紫外、可見光、近紅外、紅外，按照應用還有X-ray鏡頭之分

b、變焦與否：定焦、變焦

c、工作距離：望遠物鏡（物距很大）、普通攝影鏡頭（物距適中）、顯微鏡頭（物距很小）

其它類別則有：

線陣鏡頭：配合線陣相機使用的鏡頭。采用掃描式的工作方式，需要鏡頭與目標相對運動，每次曝光成像一條線，多次曝光組成一幅圖像；線陣掃描成像的特點：CCD線陣方向的圖像分辨率固定，而在目標的運動方向上，空間采樣頻率與運動的相對速度有關；從成像的角度講，線陣鏡頭和其它類型的鏡頭並沒有本質的差異，只是對鏡頭的使用方式不同而已。 

顯微鏡頭：為了看清目標的細節特征，顯微鏡頭一般使用在高分辨率的場合。它們基本的特點是工作距離短，放大倍率高，視場小。

2、如何選擇鏡頭

        鏡頭的選擇過程，是將鏡頭各項參數逐步明確化的過程。作為成像器件，鏡頭通常與光源、相機一起構成一個完整的圖像采集系統，因此鏡頭的選擇受到整個系統要求的制約。一般地可以按以下幾個方面來進行分析考慮。

1)波長、變焦與否

        鏡頭的工作波長和是否需要變焦是比較容易先確定下來的，成像過程中需要改變放大倍率的應用，采用變焦鏡頭，否則采用定焦鏡頭就可以了。

        關於鏡頭的工作波長，常見的是可見光波段，也有其他波段的應用。是否需要另外采取濾光措施？單色光還是多色光？能否有效避開雜散光的影響？把這幾個問題考慮清楚，綜合衡量後再確定鏡頭的工作波長。

2)特殊要求優先考慮

        結合實際的應用特點，可能會有特殊的要求，應該先予明確下來。例如是否有測量功能，是否需要使用遠心鏡頭，成像的景深是否很大等等。景深往往不被重視，但是它卻是任何成像系統都必須考慮的。

3)工作距離、焦距

       工作距離和焦距往往結合起來考慮。一般地，可以采用這個思路：先明確系統的分辨率，結合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再結合空間結構約束就能知道大概的物像距離，進一步估算鏡頭的焦距。所以鏡頭的焦距是和鏡頭的工作距離、系統分辨率（及CCD像素尺寸）相關的。

4)像面大小和像質

        所選鏡頭的像面大小要與相機感光面大小兼容，遵循「大的兼容小的」原則——相機感光面不能超出鏡頭標示的像面尺寸——否則邊緣視場的像質不保。

像質的要求主要關注MTF和畸變兩項。在測量應用中，尤其應該重視畸變。

5)光圈和接口

        鏡頭的光圈主要影響像面的亮度。但是現在的機器視覺中，最終的圖像亮度是由很多因素共同決定的：光圈、相機增益、積分時間、光源等等。所以為了獲得必要的圖像亮度有比較多的環節供調整。

鏡頭的接口指它與相機的連接接口，它們兩者需匹配，不能直接匹配就需考慮轉接。

6)成本和技術成熟度

        如果以上因素考慮完之後有多項方案都能滿足要求，則可以考慮成本和技術成熟度，進行權衡擇優選取。 

例如，要給硬幣檢測成像系統選配鏡頭，約束條件：相機CCD 2/3英寸，像素尺寸4.65μm，C接口。工作距離大於200mm，系統分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。

基本分析如下：

        與白色LED光源配合使用的，鏡頭應該是可見光波段。沒有變焦要求，選擇定焦鏡頭就可以了；

        用於工業檢測，其中帶有測量功能，所以所選鏡頭的畸變要求小；

        工作距離和焦距；

 

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；

物距要求大於200mm，則選擇的鏡頭要求焦距應該大於17mm。

        選擇鏡頭的像面應該不小於CCD尺寸，即至少2/3 英寸；

        鏡頭的接口要求是C口，能配合相機使用。光圈暫無要求。

從以上幾方面的分析計算可以初步得出這個鏡頭的「輪廓」：焦距大於17mm，定焦，可見光波段，C接口，至少能配合2/3英寸CCD使用，而且成像畸變要小。按照這些要求，可以進一步的挑選，如果多款鏡頭都能符合這些要求，可以擇優選用。
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