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镜头的参数指标

发布日期:2010-12-13 12:37:31  点击数:2433
 
  光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头,简称镜头,其功能就是光学成像。在机器视觉系统中,镜头的主要作用是将成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能;合理选择并安装光学镜头,是机器视觉系统设计的重要环节。
 
1.镜头的相关参数
(1)焦距
    焦距是光学镜头的重要参数,通常用f来表示。焦距的大小决定着视场角的大小,焦距数值小,视场角大,所观察的范围也大,但距离远的物体分辨不很清楚;焦距数值大,视场角小,观察范围小,只要焦距选择合适,即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的,一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角,所以在选择镜头焦距时,应该充分考虑是观测细节重要,还是有一个大的观测范围重要,如果要看细节,就选择长焦距镜头;如果看近距离大场面,就选择小焦距的广角镜头。
(2)光阑系数
    即光通量,用F表示,以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。每个镜头上都标有最大F值,例如6mm/F1.4代表最大孔径为4.29毫米。光通量与F值的平方成反比关系,F值越小,光通量越大。镜头上光圈指数序列的标值为1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22等,其规律是前一个标值时的曝光量正好是后一个标值对应曝光量的2倍。也就是说镜头的通光孔径分别是1/1.4,1/2,1/2.8,1/4,1/5.6,1/8,1/11,1/16,1/22,前一数值是后一数值的根号2倍,因此光圈指数越小,则通光孔径越大,成像靶面上的照度也就越大。
(3)景深
    摄影时向某景物调焦,在该景物的前后形成一个清晰区,这个清晰区称为全景深,简称景深。 决定景深的三个基本因素:
        光圈 光圈大小与景深成反比,光圈越大,景深越小。
        焦距 焦距长短与景深成反比,焦距越大,景深越小。
        物距 物距大小与景深成正比,物距越大,景深越大。
(4)光谱特性
    光学镜头的光谱特性主要指光学镜头对各波段光线的透过率特性。在部分机器视觉应用系统中,要求图像的颜色应与成像目标的颜色具有较高的一致性。因此希望各波段透过光学镜头时,除在总强度上有一定损失外,其光谱组成并不发生改变。
  影响光学镜头光谱特性的主要因素为:膜层的干涉特性和玻璃材料的吸收特性。在机器视觉系统中,为了充分利用镜头的分辨率,镜头的光谱特性应与使用条件相匹配。即:要求镜头最高分辨率的光线应与照明波长、CCD器件接受波长相匹配,并使光学镜头对该波长的光线透过率尽可能的提高。
(5)镜头的分辨率
    描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变,但对用户而言,需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率,以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位,计算公式为:镜头分辨率N=180/画幅格式的高度。由于摄像头CCD靶面大小已经标准化,如1/2英寸摄像头,其靶面为宽6.4mm*高4.8mm,1/3英寸摄象机为宽4.8mm*高3.6mm。因此对1/2英寸格式的CCD靶面,镜头的最低分辨率应为38对线/mm,对1/3英寸格式摄像头,镜头的分辨率应大于50对线,摄像头的靶面越小,对镜头的分辨率越高。
(6) 光圈或通光量
    镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量,以F为标记,每个镜头上均标有其最大的F值,通光量与F值的平方成反比关系,F值越小,则光圈越大。所以应根据被监控部分的光线变化程度来选择用手动光圈还是用自动光圈镜头。
(7)镜头接口  
    镜头和摄像头之间的接口有许多不同的类型,工业摄像头常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系,只是接口方式的不同,一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。
    以镜头安装分类所有的摄像头镜头均是螺纹口的,CCD摄像头的镜头安装有两种工业标准,分别是C-mount 和 CS-mount。两者都有一个1英寸长的螺纹,但两者不同在于镜头安装到摄像头后,镜头到传感器之间的距离:
    CS-mount: 图像传感器到镜头之间的距离应为12.5 mm
    C-mount: 图像传感器到镜头之间的距离应为17.5 mm。一个5 mm的垫圈(C/CS 连接环) 可用于将C-mount 镜头转换为CS-mount 镜头
   
2.镜头各参数间的相互影响关系
(1)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;  
(2)光圈大小的影响情况:
    光圈越大,图像亮度越高;
    光圈越大,景深越小;
    光圈越大,分辨率越高;   
(3)像场中央与边缘
    一般像场中心较边缘分辨率高;
    一般像场中心较边缘光场照度高;
(4)光波长度的影响:
    在相同的摄像头及镜头参数条件下,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。  
 
 
3.镜头的分类
(1)按外形功能分类
    可分为球面镜头、非球面镜头、针孔镜头、鱼眼镜头等。
(2) 按尺寸大小分类
    可分为1英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。
    摄像头镜头规格应视摄像头的CCD尺寸而定,两者应相对应,即摄像头的CCD靶面大小为1/2英寸时,镜头应选1/2英寸。摄像头的CCD靶面大小为1/3英寸时,镜头应选1/3英寸。摄像头的CCD靶面大小为1/4英寸时,镜头应选1/4英寸。如果镜头尺寸与摄像头CCD靶面尺寸不一致时,观察角度将不符合设计要求,或者发生画面在焦点以外等问题。
(3) 按镜头光圈分类
    可分为手动光圈(manual iris)和自动光圈(auto iris),配合摄像头使用,手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合,自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整,故适用亮度变化的场合。
(4)按变焦类型分类
    根据焦距能否调节,可分为定焦距镜头和变焦距镜头两大类。依据焦距的长短,定焦距镜头又可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四大类。需要注意的是焦距的长短划分并不是以焦距的绝对值为首要标准,而是以像角的大小为主要区分依据,所以当靶面的大小不等时,其标准镜头的焦距大小也不同。变焦镜头上都有变焦环,调节该环可以使镜头的焦距值在预定范围内灵活改变。变焦距镜头最长焦距值和最短焦距值的比值称为该镜头的变焦倍率。变焦镜头有可分为手动变焦和电动变焦两大类。
  变焦镜头由于具有可连续改变焦距值的特点,在需要经常改变摄影视场的情况下非常方便使用,所以在摄影领域应用非常广泛。但由于变焦距镜头的透镜片数多、结构复杂,所以最大相对孔径不能做得太大,致使图像亮度较低、图像质量变差,同时在设计中也很难针对各种焦距、各种调焦距离做像差校正,所以其成像质量无法和同档次的定焦距镜头相比。
变焦距镜头
定焦距镜头
手动变焦 电动变焦
鱼眼镜头 短焦镜头 标准镜头 长焦镜头
  实际中常用的镜头的焦距是从4毫米到300毫米的范围内有很多的等级,如何选择合适焦距的镜头是在机器视觉系统设计时要考虑的一个主要问题。光学镜头的成像规律可以根据两个基本成像公式牛顿公式和高斯公式来推导,对于机器视觉系统的常见设计模型,我们一般是根据成像的放大率和物距这两个条件来选择合适焦距的镜头的,在此给出一组实用的计算公式:
  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
 
(5)按焦距长短分类
    可分为长焦距镜头、标准镜头、广角镜头、变焦距镜头等。长焦距镜头因入射角较狭窄,故仅能提供狭窄视景,适用于长距离监视;标准镜头,即中焦距镜头,焦距的长度视CCD的尺寸而定。广角镜头,即短焦距镜头,因入射角较宽,可提供一个较宽广的视野。变焦距镜头通常为电动式,可作广角、标准或远望等镜头使用。
(6)特殊用途镜头
    · 显微镜头(Micro),一般是指成像比例大于10:1的拍摄系统所用,但由于现在的摄像头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时也会选用显微镜头。
    · 微距镜头(Macro),一般是指成像比例为2:1~1:4的范围内的特殊设计的镜头。在对图像质量要求不是很高的情况下,一般可采用在镜头和摄像头之间加近摄接圈的方式或在镜头前加近拍镜的方式达到放大成像的效果。
    · 远心镜头(Telecentric),主要是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头,它可以在一定的物距范围内,使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化,这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。
    · 紫外镜头(Ultraviolet)和红外镜头(Infrared),一般镜头是针对可见光范围内的使用设计的,由于同一光学系统对不同波长的光线折射率的不同,导致同一点发出的不同波长的光成像时不能会聚成一点,产生色差。常用镜头的消色差设计也是针对可见光范围的,紫外镜头和红外镜头即是专门针对紫外线和红外线进行设计的镜头。
(7)特殊用途镜头
    镜头和摄像头之间的接口有许多不同的类型,工业摄像头常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系,只是接口方式的不同,一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。
    · C接口和CS接口是工业摄像头最常见的国际标准接口,为1英寸-32UN英制螺纹连接口,C型接口和CS型接口的螺纹连接是一样的,区别在于C型接口的后截距为17.5mm,CS型接口的后截距为12.5mm。所以CS型接口的摄像头可以和C口及CS口的镜头连接使用,只是使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈;C型接口的摄像头不能用CS口的镜头。
    · F接口镜头是尼康镜头的接口标准,所以又称尼康口,也是工业摄像头中常用的类型,一般摄像头靶面大于1英寸时需用F口的镜头。
    · V接口镜头是著名的专业镜头品牌施奈德镜头所主要使用的标准,一般也用于摄像头靶面较大或特殊用途的镜头。
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