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機器視覺檢測基礎之鏡頭的概述和重要參數

日期:2020-05-07 來源:币游国际

一,什麽是鏡頭?

簡單講鏡頭就是在其一端收集物體的光線,並將光線在另一端匯聚為實像,並投影到接收麵的物體。此時,匯集光線的點稱為焦點,鏡頭中心到焦點的距離稱為焦點距離。

當鏡頭為凸鏡時,焦點距離將根據鏡頭的厚度(膨脹)程度不同而各不相同,膨脹程度越大焦點距離越短。

二,鏡頭的重要參數

玩攝影的朋友都知道,鏡頭幾個基本的參數包括焦距(長焦,廣角,變焦範圍),F值(表征透光率)等。

而工業用鏡頭與之相比,更關注以下幾個參數:

1,WD(Work Distance,工作距離)

WD表示焦點對準拍攝對象時,鏡頭頂端到拍攝對象的距離。也稱為作動距離。 當為 CCD 時,比例公式工作距離:視野=焦點距離:CCD 尺寸成立。

2,焦點距離(焦距)

FA(Factory Automation) 鏡頭中有代表性的鏡頭為焦點距離為 8 mm /16 mm /25 mm /50 mm等規格的鏡頭。 根據想要拍攝的拍攝對象所需的視野和焦點距離,可以求出對焦位置=WD(工作距離)。

WD 和視野的大小由鏡頭的焦點距離和 CCD 的尺寸來決定。 例如:焦點距離為 16 mm 鏡頭,CCD 尺寸 3.6 mm 時,如果想把視野設為 45 mm,則 WD 變為 200 mm。

3,視野

視野指工作距離範圍中的拍攝範圍。一般來說,拍攝對象和鏡頭的工作距離越長,則視野越廣(視野角)。另外,視野的廣度由鏡頭的焦點距離來決定。相對於視野,使用鏡頭可以拍攝的範圍的角度,我們稱為視角或者視野角。鏡頭的焦點距離越短,則視角越大,視野也就越廣。相反,焦點距離越長,則可以放大遠處的拍攝對象。

4,景深

景深是指使人感覺鏡頭對焦的深度範圍(拍攝物體側的距離)。範圍較大時,稱為「景深深」,相反範圍較小時稱為「景深淺」。嚴謹的來說,對焦位置隻有一個,隻不過肉眼在一定的範圍內感覺圖像能夠清晰成像,我們將此範圍稱為景深。

我們在拍攝斜麵上粘貼表示高度的膠帶的這個對象時,針對調大光圈的情況和調小光圈的情況進行比較。

最終的景深需要實測才能知道。因為除了鏡頭本身的結構外,影響景深的因素還有很多:

4.1. 鏡頭本身。

4.2. 光圈越小,景深越大。

4.3. 照明越亮,景深越大。(快門速度越慢,景深越大)

4.4. 焦距越小,景深越大。

4.5. WD工作距離越大,景深越大。

4.6. CCD的單個像素直徑越大,景深越大。

5,鏡頭的分辨率

鏡頭的分辨率不光使用在圖像處理中,它是指所有光學測量儀器中使用的鏡頭可以觀察的最小間隔。如分辨率為 10 μm 的鏡頭,可以清晰的觀察線寬為 10 μm、間距為 10 μm 並列條紋線。分辨率不足時,人們感覺 2 根線好像重疊在一起。這時候,需要更高分辨率的鏡頭。

6,鏡頭的倍率

所謂倍率,是指檢測對象的實際大小與通過光學測量儀器成像大小的比率。以往在通過顯微鏡的接眼部觀察時,我們使用光學倍率這一概念,但是近年來由於可以將觀測對象物顯示在液晶顯示器上的係統不斷增多,顯示器倍率這一概念也已經普及。

 

光學倍率

用數碼相機的原理考慮時,光學倍率可以通過「CCD 有效像素大小 ÷ 視野」來求得。

顯示器倍率

顯示器倍率可以通過「顯示器對角 ÷ CCD 素子對角 × 光學倍率」來求得。

7,F值

F 值(或者光圈值)是指表示鏡頭的明亮度的基準。準確的來說,就是鏡頭的焦點距離除以鏡頭直徑(口徑)得到的值。F 值的「F」來源於 focal (焦點的)這個詞。

事實上,鏡頭並不會讓所有光線都透過,其中的一部分會反射。而且,為了減少像差使用多個鏡頭時,透過的光量會變少。

因此,光的透過量較多,可以獲得明亮成像的鏡頭我們稱為「亮」,相反光的透過量較鏡頭則稱為「暗」。鏡頭的焦點距離和直徑的關係,是可以大大影響鏡頭明暗的要素之一,也即 F 值。這個值較小的鏡頭稱為「亮鏡頭」,較大的鏡頭稱為「暗鏡頭」。一般的小型相機都會在鏡頭旁刻上「F = 2.5」「1:2.5」的標記,這就表示 F 值為 2.5。

在相機鏡頭的性能上,如果 F 值達到 2.0 左右,則表示這個相機的明亮等級非常高。

8,歪曲像差(失真)

歪曲像差(失真)表示通過鏡頭成像的圖像發生歪曲的狀態。 事實上不存在形狀完美的鏡頭。因此,雖然從理論上來說,直射光通過鏡頭後會沿著直線傳播,而實際上光通過鏡頭後會向外側或者內側歪曲。前者稱為「桶形失真」,後者稱為「枕形失真」。一個鏡失真的參數以百分比表示。

三,遠心鏡頭

大家都有這種印象,一個物體在人眼看來,會有近大遠小的現象。這是因為物體近的時候,在視網膜上投影大,小的時候,投影小。鏡頭也是一樣,因為近大遠小的原因,會產生誤差。特別是在做尺寸測量的時候,就尤其關鍵。

為了解決這個問題,就產生了遠心鏡頭。簡單講就是不會因為WD工作距離的遠近而在投影端產生大小變化的的鏡頭。

對於有厚度測產品,也會照出截麵的效果。

遠心鏡頭主要應用於精密測量。在精密光學測量係統中,由於普通光學鏡頭會存在一定的製約因素,如影像的變形、視角選擇而造成的誤差、不適當光源幹擾下造成邊界的不確定性等問題,進而影響測量的精度。而遠心鏡頭(Telecentric鏡頭)能有效降低甚至消除上述問題,因此Telecentric鏡頭已經成為精密光學量測係統決定性的組件,其應用領域也越來越廣泛。

遠心鏡頭和普通鏡頭的簡單對比如下:

普通鏡頭優點

成本低,實用,用途廣。

普通鏡頭缺點

放大倍率會有變化,有視差。

普通鏡頭應用

大物體成像。

遠心鏡頭的優點

放大倍數恒定,不隨景深變化而變化,無視差。

遠心鏡頭的缺點

成本高,尺寸大,重量重。

遠心鏡頭的應用

度量衡方麵,基於CCD方麵的測量,微晶學

 


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