工业相机镜头的基础知识.ppt

1 工业镜头的接口 物镜的接口尺寸是有国际标准的 共有三种接口型式 即F型 C型 CS型 F型接口是通用型接口 一般适用于焦距大于25mm的镜头 而当物镜的焦距约小于25mm时 因物镜的尺寸不大 便采用C型或CS型接口 2 工业镜头的接口 C接口和CS接口的区别 C与CS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面 摄像机CCD光电感应器应处的位置 的距离不同 C型接口此距离为17 5mm CS型接口此距离为12 5mm C型镜头与C型摄像机 CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用 C型镜头与CS型摄像机之间增加一个5mm的C CS转接环可以配合使用 CS型镜头与C型摄像机无法配合使用 3 视场 Fieldofview 即FOV 也叫视野范围 指观测物体的可视范围 也就是充满相机采集芯片的物体部分 视场范围是选型中必须要了解的 工作距离 WorkingDistance 即WD 指从镜头前部到受检验物体的距离 即清晰成像的表面距离 选型必须要了解的问题 工作距离是否可调 包括是否有安装空间等 分辨率 图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸 在多数情况下 视野越小 分辨率越好 景深 Depthofview 即DOF 物体离最佳焦点较近或较远时 镜头保持所需分辨率的能力 需要了解客户对景深是否有特殊要求 图1 镜头基本参数示意图 工业镜头的基本参数 4 工业镜头的其他参数 感光芯片尺寸 相机感光芯片的有效区域尺寸 一般指水平尺寸 这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视场非常重要 镜头主要缩放比例 PMAG 由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义 虽然基本参数包括感光芯片的尺寸和视场 但PMAG却不属于基本参数 焦距 f 焦距 是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式 指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离 亦是照相机中 从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离 需要记住的公式 f 工作距离 视野范围长边 或短边 XCCD长边 或短 焦距大小的影响情况 焦距越小 景深越大 焦距越小 畸变越大 焦距越小 渐晕现象越严重 使像差边缘的照度降低 5 解析度表示一组物镜所能见到了2点的最小间隔 解像力 mm中间可以看到黑白线的条数 单位 lp mm 0 61x使用波长 NA 解析度 以上的计算方法理论上可以计算出解析度 但不包括失真 使用波长为550nm MTF ModulationTransferFunction 成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度 6 失真 distortion 衡量镜头性能的指标之一 又称畸变 指被摄物平面内的主轴外直线 经光学系统成像后变为曲线 则此光学系统的成像误差称为畸变 畸变像差只影响影像的几何形状 而不影响影像的清晰度 光圈与F值光圈是一个用来控制镜头通光量装置 它通常是在镜头内 表达光圈大小我们是用F值 如f1 4 f2 f2 8etc 7 工业镜头各参数间相互影响关系 光圈大小的影响情况 光圈越大 图像亮度越高 景深越小 分辨率越高 像场中央与边缘 一般像场中心较边缘分辨率高 像场中心较边缘光场照度高光波长度的影响 在相同的工业相机及镜头参数条件下 照明光源的光波波长越短 得到的图像的分辨力越高 所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中 尽量采用短波长的单色光作为照明光源 对提高系统精度有很大的作用 8 用于计算主要缩放比例的公式如下 PMAG 感光芯片尺寸 mm 视场 mm 图2 主要缩放比例 感光芯片尺寸和视场的关系示意图 光学放大倍数 9 10 显示放大倍数 显示放大倍率在显微中应用非常广泛 被测物体的显示放大倍率取决于三个因素 镜头光学倍率 工业相机感光芯片的尺寸 靶面大小 显示器尺寸 显示放大倍率 镜头光学倍率 显示器尺寸 25 4 耙面对角线尺寸 11 工业镜头的主要类别 分类方式 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接口划分 C接口 CS接口 F接口等按倍数划分 定倍镜头 连续变倍镜头机器视觉行业常用到的很重要的镜头主要包括FA镜头 远心镜头和工业显微镜等 12 工业镜头的主要类别 常用摄像物镜 主要参数有焦距f光圈数F和视场2 经验公式 1 F tan f C F型接口类型摄像物镜焦距表 mm C CS型接口类型摄像物镜焦距表 mm 常用摄像物镜参数 13 接圈简单的近摄物镜是在照相镜头和CCD相机之间加入一个接圈 见图1 1 18 由此 CCD的敏感面可以位于照相镜头的像方焦面的外面一段距离 从而可以摄取到较近距离目标的像 但它受到图像清晰度的限制 工业镜头的主要类别 近摄物镜 近摄物镜 14 近摄透镜在摄像物镜前端拧上一个近摄透镜 可以摄取到更近距离目标的像 采用近摄镜后 目标像的畸变增大了 为此 近摄透镜的屈光率不能太大 使原工作距离的缩短量一般不超过20 工业镜头的主要类别 近摄物镜 近摄物镜 15 与近摄物镜相反 为了对远距离目标摄取到清晰图像 要采用远摄物镜 这种物镜是一长焦距物镜 远摄物镜可以是折射系统 反射系统或折反射系统 反射式远摄物镜常采用卡塞格林式远摄物镜 折反式远摄物镜由于采用前部校正透镜 其成像质量更加良好 工业镜头的主要类别 远摄物镜 远摄物镜 16 远心镜头特性物方远心镜头可以消除透视畸变 像方远心镜头可以获得更好的像面照度的均匀性 17 物方远心物镜采用平行光路设计 物方远心物镜是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上 工业镜头的主要类别 远心镜头 远心镜头 18 像方远心光路像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上 而像方的主光线平行于光轴 工业镜头的主要类别 远心物镜 远心物镜 19 在测量系统中 物距常发生变化 从而使像高发生变化 所以测得的物体尺寸也发生变化 即产生了测量误差 即使物距是固定的 也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上 同样亲会产生测量误差 采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差 而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差 工业镜头的主要类别 远心物镜 远心物镜 20 远距物镜是一种焦距很长而镜筒较短的物镜 从物镜前表面到像平面的距离小于焦距 这对于长焦距物镜来说 有利于缩短物镜的轴向尺寸 按照上述原理构成的远距物镜 结构型式是各种各样的 尤其是前组 由于负担较大的光焦度 结构一般要比后组复杂 工业镜头的主要类别 远距物镜 远距物镜 21 反远镜是一种焦距较短而后截距很长的物镜 这样 在物镜和CCD之间可以加入分光镜 以实现取景等作用 工业镜头的主要类别 反远距物镜 反远距物镜 22 畸变物镜能够在它的像中预先引入规定的畸变 当物镜存在很大的负畸变时 实际上能够拍摄角视场超过180 的物空间 这种物镜用于宇航研究 气像测量中 吉柳在1930年首先成功地实现了角视场180o和相对孔径1 22的畸变物镜 图1 1 30b 畸变物镜可以按照反远距物镜的光路图作出 第一组由一或二个透镜组成 并造成很大的畸变 图c d 第二透镜组用于校正像差 以便获得清晰的像 为了研制超广角物镜 像场角余弦四次方的影响是最大的障碍 但是由于负的畸变 在像场边缘上光束深缩 因而在像场边缘上实际光学密度并不比视场中心低 工业镜头的主要类别 畸变物镜 畸变物镜 23 常用的工业镜头品牌 24 常用的工业镜头品牌及代理商 25 常用镜头图片 定倍远心镜头 Navitarzoom6000连续变倍镜头组件 Navitarzoom6000连续变倍镜头 定焦镜头 26 工业镜头的选择要点 1 视野范围 光学放大倍数及期望的工作距离 在选择镜头时 我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头 以有利于运动控制 2 景深要求 对于对景深有要求的项目 尽可能使用小的光圈 在选择放大倍率的镜头时 在项目许可下尽可能选用低倍率镜头 如