工業(yè)相機(jī)鏡頭的基礎(chǔ)知識

1、關(guān)于工業(yè)相機(jī)鏡頭的基礎(chǔ)知識第1頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三2工業(yè)鏡頭的接口 物鏡的接口尺寸是有國際標(biāo)準(zhǔn)的，共有三種接口型式，即F型、C型、CS型。F型接口是通用型接口，一般適用于焦距大于25mm的鏡頭；而當(dāng)物鏡的焦距約小于25mm時，因物鏡的尺寸不大，便采用C型或CS型接口。第2頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三3工業(yè)鏡頭的接口C接口和CS接口的區(qū)別 C與CS接口的區(qū)別在于鏡頭與攝像機(jī)接觸面至鏡頭焦平面（攝像機(jī)CCD光電感應(yīng)器應(yīng)處的位置）的距離不同，C型接口此距離為17.5mm., CS型接口此距離為12.5mm.。 C型鏡頭與C型攝像機(jī)，

2、CS型鏡頭與CS型攝像機(jī)可以配合使用。C型鏡頭與CS型攝像機(jī)之間增加一個 5mm的C/CS轉(zhuǎn)接環(huán)可以配合使用。CS型鏡頭與C型攝像機(jī)無法配合使用。第3頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三4視場(Field of view, 即FOV，也叫視野范圍) ：指觀測物體的可視范圍，也就是充滿相機(jī)采集芯片的物體部分。（視場范圍是選型中必須要了解的）工作距離(Working Distance,即WD):指從鏡頭前部到受檢驗(yàn)物體的距離。即清晰成像的表面距離（選型必須要了解的問題，工作距離是否可調(diào)？包括是否有安裝空間等）分辨率：圖像系統(tǒng)可以測到的受檢驗(yàn)物體上的最小可分辨特征尺寸。在多數(shù)情

3、況下，視野越小，分辨率越好。景深 (Depth of view，即DOF)：物體離最佳焦點(diǎn)較近或較遠(yuǎn)時，鏡頭保持所需分辨率的能力（需要了解客戶對景深是否有特殊要求？）圖 1: 鏡頭基本參數(shù)示意圖工業(yè)鏡頭的基本參數(shù)第4頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三5工業(yè)鏡頭的其他參數(shù) 感光芯片尺寸：相機(jī)感光芯片的有效區(qū)域尺寸，一般指水平尺寸。這個參數(shù)對于決定合適的鏡頭縮放比例以獲取想要的視場非常重要。鏡頭主要縮放比例 (PMAG) 由感光芯片的尺寸和視場的比率來定義。雖然基本參數(shù)包括感光芯片的尺寸和視場，但PMAG卻不屬于基本參數(shù)。 焦距（f）焦距，是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度

4、量方式，指從透鏡的光心到光聚集之焦點(diǎn)的距離。亦是照相機(jī)中，從鏡片中心到底片或CCD等成像平面的距離。（需要記住的公式） f=工作距離/視野范圍長邊（或短邊）X CCD長邊（或短） 焦距大小的影響情況： 焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸變越大； 焦距越小，漸暈現(xiàn)象越嚴(yán)重，使像差邊緣的照度降低；第5頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三6解析度表示一組物鏡所能見到了2點(diǎn)的最小間隔 解像力mm中間可以看到黑白線的條數(shù)。單位（lp）/mm.0.61x 使用波長()/ NA=解析度()以上的計(jì)算方法理論上可以計(jì)算出解析度，但不包括失真。使用波長為550nm MTF（Modulati

5、on Transfer Function）成像時再現(xiàn)物體表面的濃淡變化而使用的空間周波數(shù)和對比度。第6頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三7 失真（distortion）：（衡量鏡頭性能的指標(biāo)之一） 又稱畸變，指被攝物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變?；兿癫钪挥绊懹跋竦膸缀涡螤?，而不影響影像的清晰度。光圈與F值 光圈是一個用來控制鏡頭通光量裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達(dá)光圈大小我們是用F值，如f1。4，f2，f2。8 etc第7頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三8工業(yè)鏡頭各參數(shù)間相互影響關(guān)系光圈大小的影響

6、情況： 光圈越大，圖像亮度越高；景深越??；分辨率越高；像場中央與邊緣：一般像場中心較邊緣分辨率高；像場中心較邊緣光場照度高光波長度的影響：在相同的工業(yè)相機(jī)及鏡頭參數(shù)條件下，照明光源的光波波長越短，得到的圖像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置測量的視覺系統(tǒng)中，盡量采用短波長的單色光作為照明光源，對提高系統(tǒng)精度有很大的作用。第8頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三9用于計(jì)算主要縮放比例的公式如下：PMAG = 感光芯片尺寸 (mm) / 視場 (mm)圖 2: 主要縮放比例、感光芯片尺寸和視場的關(guān)系示意圖光學(xué)放大倍數(shù)第9頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，

7、星期三10第10頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三11顯示放大倍數(shù)顯示放大倍率在顯微中應(yīng)用非常廣泛，被測物體的顯示放大倍率取決于三個因素：鏡頭光學(xué)倍率、工業(yè)相機(jī)感光芯片的尺寸（靶面大?。@示器尺寸。顯示放大倍率=鏡頭光學(xué)倍率顯示器尺寸25.4/耙面對角線尺寸第11頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三12工業(yè)鏡頭的主要類別：分類方式按焦距劃分：定焦和變焦 按光圈劃分：固定光圈和可變光圈按接口劃分：C接口、CS接口、F接口等按倍數(shù)劃分：定倍鏡頭、連續(xù)變倍鏡頭機(jī)器視覺行業(yè)常用到的很重要的鏡頭主要包括FA鏡頭，遠(yuǎn)心鏡頭和工業(yè)顯微鏡 等第12頁，共26頁，

8、2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三13工業(yè)鏡頭的主要類別：常用攝像物鏡主要參數(shù)有焦距f 光圈數(shù)F和視場2. 經(jīng)驗(yàn)公式：1/F *tanf=CF型接口類型攝像物鏡焦距表（mm）C,CS型接口類型攝像物鏡焦距表(mm)類型魚眼型超廣角型廣角型標(biāo)準(zhǔn)型焦距7.5,1517,2024,28,3550類型1/31/3 ,1/2 2/3 ,1 焦距2.8-3.53.5-68-75常用攝像物鏡參數(shù)第13頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三14接圈 簡單的近攝物鏡是在照相鏡頭和CCD相機(jī)之間加入一個接圈，見圖1.118 ，由此，CCD的敏感面可以位于照相鏡頭的像方焦面的外面一段距

9、離，從而可以攝取到較近距離目標(biāo)的像，但它受到圖像清晰度的限制。工業(yè)鏡頭的主要類別：近攝物鏡近攝物鏡第14頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三15近攝透鏡 在攝像物鏡前端擰上一個近攝透鏡，可以攝取到更近距離目標(biāo)的像。采用近攝鏡后，目標(biāo)像的畸變增大了，為此，近攝透鏡的屈光率不能太大，使原工作距離的縮短量一般不超過20。工業(yè)鏡頭的主要類別：近攝物鏡近攝物鏡第15頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三16與近攝物鏡相反，為了對遠(yuǎn)距離目標(biāo)攝取到清晰圖像，要采用遠(yuǎn)攝物鏡。這種物鏡是一長焦距物鏡。遠(yuǎn)攝物鏡可以是折射系統(tǒng)、反射系統(tǒng)或折反射系統(tǒng)。反射式遠(yuǎn)攝物鏡常采用卡塞

10、格林式遠(yuǎn)攝物鏡.折反式遠(yuǎn)攝物鏡由于采用前部校正透鏡，其成像質(zhì)量更加良好.工業(yè)鏡頭的主要類別：遠(yuǎn)攝物鏡遠(yuǎn)攝物鏡第16頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三17遠(yuǎn)心鏡頭特性 物方遠(yuǎn)心鏡頭可以消除透視畸變，像方遠(yuǎn)心鏡頭可以獲得更好的像面照度的均勻性。第17頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三18物方遠(yuǎn)心物鏡采用平行光路設(shè)計(jì)，物方遠(yuǎn)心物鏡是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上。工業(yè)鏡頭的主要類別：遠(yuǎn)心鏡頭遠(yuǎn)心鏡頭第18頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三19像方遠(yuǎn)心光路像方遠(yuǎn)心光路是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的物 方焦平面上，而像方的主光

11、線平行于光軸。工業(yè)鏡頭的主要類別：遠(yuǎn)心物鏡遠(yuǎn)心物鏡第19頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三20在測量系統(tǒng)中，物距常發(fā)生變化，從而使像高發(fā)生變化，所以測得的物體尺寸也發(fā)生變化，即產(chǎn)生了測量誤差；即使物距是固定的，也會因?yàn)镃CD敏感表面不易精確調(diào)整在像平面上，同樣親會產(chǎn)生測量誤差。采用遠(yuǎn)心物鏡中的像方遠(yuǎn)心物鏡可以消除物距變化帶來的測量誤差，而物方遠(yuǎn)心物鏡則可以消除CCD位置不準(zhǔn)帶來的測量誤差。工業(yè)鏡頭的主要類別：遠(yuǎn)心物鏡遠(yuǎn)心物鏡第20頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三21遠(yuǎn)距物鏡是一種焦距很長而鏡筒較短的物鏡，從物鏡前表面到像平面的距離小于焦距，這對

12、于長焦距物鏡來說，有利于縮短物鏡的軸向尺寸。按照上述原理構(gòu)成的遠(yuǎn)距物鏡，結(jié)構(gòu)型式是各種各樣的，尤其是前組，由于負(fù)擔(dān)較大的光焦度，結(jié)構(gòu)一般要比后組復(fù)雜。工業(yè)鏡頭的主要類別：遠(yuǎn)距物鏡遠(yuǎn)距物鏡第21頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三22反遠(yuǎn)鏡是一種焦距較短而后截距很長的物鏡，這樣，在物鏡和CCD之間可以加入分光鏡，以實(shí)現(xiàn)取景等作用。工業(yè)鏡頭的主要類別：反遠(yuǎn)距物鏡反遠(yuǎn)距物鏡第22頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三23畸變物鏡能夠在它的像中預(yù)先引入規(guī)定的畸變。當(dāng)物鏡存在很大的負(fù)畸變時，實(shí)際上能夠拍攝角視場超過180的物空間。這種物鏡用于宇航研究、氣像測量中

13、。吉柳在1930年首先成功地實(shí)現(xiàn)了角視場180o和相對孔徑1：22的畸變物鏡（圖1.130b）。畸變物鏡可以按照反遠(yuǎn)距物鏡的光路圖作出。第一組由一或二個透鏡組成，并造成很大的畸變（圖c、d）。第二透鏡組用于校正像差，以便獲得清晰的像。為了研制超廣角物鏡，像場角余弦四次方的影響是最大的障礙。但是由于負(fù)的畸變，在像場邊緣上光束深縮，因而在像場邊緣上實(shí)際光學(xué)密度并不比視場中心低。工業(yè)鏡頭的主要類別：畸變物鏡畸變物鏡第23頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三24常用鏡頭圖片定倍遠(yuǎn)心鏡頭Navitar zoom6000連續(xù)變倍鏡頭組件Navitar zoom6000連續(xù)變倍鏡頭定焦鏡頭第24頁，共26頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)36分，星期三25工業(yè)鏡頭的選擇要點(diǎn)1、視野范圍、光學(xué)放大倍數(shù)及期望的工作距離：在選擇鏡頭時，我們會選擇比被測物體視野稍大一點(diǎn)的鏡頭，以有利于運(yùn)動控制。2、景深要求：對于對景深有要求的項(xiàng)目，盡可能使用小的光圈；在選擇放大倍率的鏡頭時，在項(xiàng)目許可下盡可能選用低倍率鏡頭。如果項(xiàng)目要求比較苛刻時，傾向選擇高景深的