【自有技术大讲堂】工业镜头知识科普

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一、工业镜头的几个基本参数:

 

1、 光学接口:相机和镜头的连接方式即为镜头的光学接口,业内对于光学接口已经形成了标准的规范;光学镜头接口类型可以分为两大类:螺口与卡口;螺口类型主要包含螺距为0.75(M42、M58、M72等)的接口、C接口(后截距17.5mm)、CS接口(后截距12.5mm)、M90*1等;卡口主要有F接口、V接口、T2接口等。
 
2、 视场(FOV: Field of View):指充满相机采集芯片的物体可视范围。一般来说,镜头的口径越大,倍率越低,焦距越短,其视场就越大。
 
3、 视场角:在光学系统当中,以镜头为顶点,以被测物体通过镜头的最大成像范围的两边缘构成的夹角叫做视场角。视场角的大小决定了镜头的视野范围,视场角越大,视野就越大,光学倍率也就越小。

4、 工作距离(WD: Working Distance):指使物体可以清晰成像的镜头前部与待检物体间的距离。
 
5、 分辨率(Resolution):图像系统可测得物体上的最小可分辨特征尺寸,在一般情况下视场越小,分辨率越高。
 
6、 景深(DOF: Depth of Field):在聚焦完成后,可使成像清晰的焦点移动范围称作景深。
 

 

7、 光学放大倍数:在匹配的光学系统中,光学放大倍率可以简单的理解为芯片尺寸与视场的比值,即 β = CCD / FOV。

 

8、 相对孔径:光圈是镜头内部一个用来控制光线透过镜头,进入相机芯片的光量的装置。而相对孔径是指镜头入瞳直径与焦距的比值(WD/f),他通常表示为1:1.4,1:1.8,1:2.0等;

 

二、工业镜头主要类别:

 

按焦距划分:定焦和变焦

按光圈划分:固定光圈和可变光圈

按倍数划分:定倍镜头和连续变倍镜头

机器视觉行业主要用的镜头有FA镜头,远心镜头和显微物镜等。

 

1、 FA镜头

FA镜头种类繁多,相较于远心镜头视场较大且对照明条件要求较低,但是其成像的像差较大,一般不适用于二维成像测量。

 

2、 远心镜头

远心镜头可以分为物方远心镜头与像方远心镜头和双远心镜头,其设计目的是消除了被测物体或感光芯片离镜头距离变化时导致成像放大倍率不一致问题,具有高分辨,低畸变的优势。
(1)物方远心镜头是将孔径光阑设置在光学系统的像方焦平面上。
(2)像方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上,像方的主光线平行于光轴。
(3)双远心镜头是在中央放置光阑,使进出镜头的光均为平行光,而其他光均被光阑遮挡,无法成像。
 

 

 

3、 显微物镜

显微物镜一般是指成像比例大于10:1的拍摄系统所用,但由于现在的摄像机的像元尺寸已经做到3微米以内,所以一般成像比例大于2:1时也会选用显微物镜。显微物镜有五个基本参数分别为数值孔径、焦深、齐焦距离、工作距离和分辨率。

(1)数值孔径NA:指物体与物镜媒质的折射率n与物镜孔径角θ的一半的正弦值乘积。数值孔径是显微物镜的重要参数,决定了物镜的分辨率。

(2)焦深:指从对准焦点的位置开始,改变物镜与样品表面的距离时,对焦能够保持清晰的范围。

(3)齐焦距离:指对准焦点时,物镜镜体定位面到物体表面的距离。

(4)工作距离:工作距离也叫物距,指透镜前表面到被检物体间距离。

 

 

(5)分辨率:分辨率是指所能分辨两个物点间的小距离。显微镜的分辨距离越小,表示它的分辨率越高,也就是表示它的性能越好。显微镜的分辨率大小是由物镜的分辨率来决定的,而物镜的分辨率则由它的数值孔径和照明光线的波长决定的。当光线均匀地透过标本时,显微镜的分辨距离可用公式:D=0.61λ/NA(D表示物镜的分辨距离,单位nm;λ表示照明光线波长,单位nm;NA表示物镜的数值孔径) 表示,所以显微镜的分辨率与数值孔径成正比。(D值越小,分辨率越高)。

放大率也是显微镜的重要参数,但也不能盲目相信放大率越高越好。显微镜放大倍率的极限即有效放大倍率。分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。关系式:500NA<放大率<1000NA。
当选用的物镜数值孔径不够大,即分辨率不够高时,显微镜不能分清物体的微细结构,此时即使过度地增大放大倍率,得到的也只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像,称为无效放大倍率。反之如果分辨率已满足要求而放大倍率不足,则显微镜虽已具备分辨的能力,但因图像太小而仍然不能被人眼清晰视见。所以为了充分发挥显微镜的分辨能力,应使数值孔径与显微镜总放大倍率合理匹配。

 

三、工业镜头成像质量的评判

 

1、畸变:畸变是光学透镜固有透射失真的总称,这种失真会严重影响成像质量,只能优化减小,不能消除。

 

 

2、弥散斑:光轴平行的光线射入镜头时,理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后,再以锥状的扩散开来,这个聚集所有光线的一点,就叫做焦点。在焦点前后,光线开始聚集和扩散,点的影像变成模糊的光斑,这个光斑就叫作弥散斑。

 

 

3、MTF(Modulation Transfer Function)调制传递函数:光学传递函数的评价方法是最全面、最客观、最科学、最严格、最完善的方法。同时也只有通过光学传递函数,才以把摄影镜头的分辨率和反差两大光学指标有机地联系起来,并最终反映出二者对所成影像的综合作用与影响。

 

 

镜头的MTF需要和摄像机上的传感器分辨率对应起来使用。一个镜头有它的最高分辨率N lp/mm,那么根据纳奎斯特采样定理,至少需要配以2N/mm个空间采样点。这个可以这样来理解,1mm内有N条黑白线对,那么就有N 条白线和N条黑线总共2N条线。以摄像机的一个感光元对应以一条白线或黑线,那么摄像机在1mm内需要有2N个感光元来对应N条白线和N条黑线,摄像机的感光元密度就是 2N/mm。
 
2021年9月14日 16:28