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機器視覺基礎知識——光學鏡頭概述及分類

2013-10-16  發布者:admin 

    光學鏡頭一般稱為攝像鏡頭或攝影鏡頭,簡稱鏡頭,其功能就是光學成像。鏡頭機器視覺係統中的重要組件,對成像質量有著關鍵性的作用,它對成像質量的幾個最主要指標都有影響,包括:分辨率、對比度、景深及各種像差。鏡頭不僅種類繁多,而且質量差異也非常大,但一般用戶在進行係統設計時往往對鏡頭的選擇重視不夠,導致不能得到理想的圖像,甚至導致係統開發失敗。本文的目的是通過對各種常見鏡頭的分類及主要參數介紹,總結各種因素之間的相互關係,使讀者掌握機器視覺係統中鏡頭的選用技巧。 

 

  根據有效像場的大小劃分

  把攝影鏡頭安裝在一很大的伸縮暗箱前端,並在該暗箱後端安裝一塊很大的磨砂玻璃。當將鏡頭光圈開至最大,並對準無限遠景物調焦時,在磨砂玻璃上呈現出的影像均位於一圓形麵積內,而圓形外則漆黑,無影像。此有影像的圓形麵積稱為該鏡頭的最大像場。在這個最大像場範圍的中心部位,有一能使無限遠處的景物結成清晰影像的區域,這個區域稱為清晰像場。照相機或攝影機的靶麵一般都位於清晰像場之內,這一限定範圍稱為有效像場。由於視覺係統中所用的攝像機的靶麵尺寸有各種型號,所以在選擇鏡頭時一定要注意鏡頭的有效像場應該大於或等於攝像機的靶麵尺寸,否則成像的邊角部分會模糊甚至沒有影像。

 

  根據有效像場的大小,一般可分為如下幾類:

鏡頭類型 有效像場尺寸
電視攝像鏡頭 1/4英寸攝像鏡頭 3.2mm×2.4mm(對角線4mm)
1/3英寸攝像鏡頭 4.8mm×3.6mm(對角線6mm)
1/2英寸攝像鏡頭 6.4mm×4.8mm(對角線8mm)
2/3英寸攝像鏡頭 8.8mm×6.6mm(對角線11mm)
1英寸攝像鏡頭 12.8mm×9.6mm(對角線16mm)
電影攝影鏡頭 35mm電影攝影鏡頭 21.95mm×16mm(對角線27.16mm)
16mm電影攝影鏡頭 10.05mm×7.42mm(對角線12.49mm)
照相鏡頭 135型攝影鏡頭 36mm×24mm
127型攝影鏡頭 40mm×40mm
120型攝影鏡頭 80mm×60mm
中型攝影鏡頭 82mm×56mm
大型攝影鏡頭 240mm×180mm 

 

  根據焦距分類

  根據焦距能否調節,可分為定焦距鏡頭變焦距鏡頭兩大類。依據焦距的長短,定焦距鏡頭又可分為魚眼鏡頭短焦鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭四大類。需要注意的是焦距的長短劃分並不是以焦距的絕對值為首要標準,而是以像角的大小為主要區分依據,所以當靶麵的大小不等時,其標準鏡頭的焦距大小也不同。變焦鏡頭上都有變焦環,調節該環可以使鏡頭的焦距值在預定範圍內靈活改變。變焦距鏡頭最長焦距值和最短焦距值的比值稱為該鏡頭的變焦倍率。變焦鏡頭有可分為手動變焦和電動變焦兩大類。

 

 變焦鏡頭由於具有可連續改變焦距值的特點,在需要經常改變攝影視場的情況下非常方便使用,所以在攝影領域應用非常廣泛。但由於變焦距鏡頭的透鏡片數多、結構複雜,所以最大相對孔徑不能做得太大,致使圖像亮度較低、圖像質量變差,同時在設計中也很難針對各種焦距、各種調焦距離做像差校正,所以其成像質量無法和同檔次的定焦距鏡頭相比。 變焦距鏡頭 定焦距鏡頭
手動變焦 電動變焦 魚眼鏡頭 短焦鏡頭 標準鏡頭 長焦鏡頭

 

  實際中常用的鏡頭的焦距是從4毫米到300毫米的範圍內有很多的等級,如何選擇合適焦距的鏡頭是在機器視覺係統設計時要考慮的一個主要問題。光學鏡頭的成像規律可以根據兩個基本成像公式牛頓公式和高斯公式來推導,對於機器視覺係統的常見設計模型,AG亚游集团一般是根據成像的放大率和物距這兩個條件來選擇合適焦距的鏡頭的,在此給出一組實用的計算公式:
  放大率:m=h’/h=L’/L 物距:L = f(1+1/m)
  像距:L’= f(1+m) 焦距:f = L/(1+1/m)
  物高:h = h’/m = h’(L-f)/f 像高:h’ = mh = h(L’-f)/f 

 

  根據鏡頭接口類型劃分

  鏡頭和攝像機之間的接口有許多不同的類型,工業攝像機常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徠卡接口、M42接口、M50接口等。接口類型的不同和鏡頭性能及質量並無直接關係,隻是接口方式的不同,一般可以也找到各種常用接口之間的轉接口。

 

    C接口和CS接口是工業攝像機最常見的國際標準接口,為1英寸-32UN英製螺紋連接口,C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的,區別在於C型接口的後截距為17.5mm,CS型接口的後截距為12.5mm。所以CS型接口的攝像機可以和C口及CS口的鏡頭連接使用,隻是使用C口鏡頭時需要加一個5mm的接圈;C型接口的攝像機不能用CS口的鏡頭。
    F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標準,所以又稱尼康口,也是工業攝像機中常用的類型,一般攝像機靶麵大於1英寸時需用F口的鏡頭。
    V接口鏡頭是著名的專業鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標準,一般也用於攝像機靶麵較大或特殊用途的鏡頭。 

 

  特殊用途的鏡頭

    顯微鏡頭(Micro),一般是指成像比例大於10:1的拍攝係統所用,但由於現在的攝像機的像元尺寸已經做到3微米以內,所以一般成像比例大於2:1時也會選用顯微鏡頭。
微距鏡頭(Macro),一般是指成像比例為2:1~1:4的範圍內的特殊設計的鏡頭。在對圖像質量要求不是很高的情況下,一般可采用在鏡頭和攝像機之間加近攝接圈的方式或在鏡頭前加近拍鏡的方式達到放大成像的效果。 
    遠心鏡頭(Telecentric),主要是為糾正傳統鏡頭的視差而特殊設計的鏡頭,它可以在一定的物距範圍內,使得到的圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化,這對被測物不在同一物麵上的情況是非常重要的應用。 

    紫外鏡頭(Ultraviolet)和紅外鏡頭(Infrared),一般鏡頭是針對可見光範圍內的使用設計的,由於同一光學係統對不同波長的光線折射率的不同,導致同一點發出的不同波長的光成像時不能會聚成一點,產生色差。常用鏡頭的消色差設計也是針對可見光範圍的,紫外鏡頭和紅外鏡頭即是專門針對紫外線和紅外線進行設計的鏡頭。

 



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