工业相机镜头的参数和选型

《工业相机镜头的参数和选型》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业相机镜头的参数和选型（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、工业相机镜头的参数与选型一、镜头主要参数1. 焦距(Focal Length)焦距是从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距 离。焦距的大小决定着视角的大小，焦距数值小，视角大，所观察的 范围也大；焦距数值大，视角小，观察范围小。根据焦距能否调节， 可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。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8mm /F1.4代表最大孔径为5.7毫米。 F值越小，光圈越大，F值越大，光圈越小。3. 对应最大CCD尺寸(Sensor Size)镜头成像直径可覆盖的最大CCD芯片尺寸。主要有：1/2、 2/3、1 和 1 以上。4. 接口

2、 (Mount)镜头与相机的连接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、 M42x1、M75x0.75 等。5. 景深(Depth of Field,DOF)景深是指在被摄物体聚焦清楚后，在物体前后一定距离内，其影 像仍然清晰的范围。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。 光圈越大，景深越小；光圈越小、景深越大。焦距越长，景深越小;焦距越短，景深越大。距离拍摄体越近时，景深越小；距离拍摄体越 远时，景深越大。6、分辨率(Resolution)分辨率代表镜头记录物体细节的能力，以每毫米里面能够分辨黑 白对线的数量为计量单位：“线对/毫米”(lp/mm)。分辨率越高的 镜头成像越清

3、晰。7、工作距离(Working distance,WD)镜头第一个工作面到被测物体的距离。8、视野范围(Field of View,FOV)相机实际拍到区域的尺寸。9、光学放大倍数(Magnification)CCD/FOV，即芯片尺寸除以视野范围。10、数值孔径(Numerical Aperture,NA)数值孔径等于由物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的 一半(a2)的正弦值的乘积，计算公式为N.A=n*sin a/2。数值孔 径与其它光学参数有着密切的关系，它与分辨率成正比，与放大率成 正比。也就是说数值孔径，直接决定了镜头分辨率，数值孔径越大， 分辨率越高，否则反之。11、后背焦

4、(Flange distance)准确来说，后倍焦是相机的一个参数，指相机接口平面到芯片的 距离。但在线扫描镜头或者大面阵相机的镜头选型时，后倍焦是一个非常重要的参数，因为它直接影响镜头的配置。不同厂家的相机，哪 怕接口一样也可能有不同的后倍焦。二、镜头选型1. 选择镜头接口和最大CCD尺寸镜头接口只要可跟相机接口匹配安装或可通过外加转换口匹配 安装就可以了；镜头可支持的最大CCD尺寸应大于等于选配相机CCD 芯片尺寸。2. 选择镜头焦距Ske (H)FOV(V) a(H如图所示，在已知相机CCD尺寸、工作距离（WD）和视野（FOV） 的情况下，可以计算出所需镜头的焦距（f）。3. 选择镜头光

5、圈镜头的光圈大小决定图像的亮度，在拍摄高速运动物体、曝光时 间很短的应用中，应该选用大光圈镜头，以提高图像亮度。4. 选择远心镜头远心镜头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。远心镜头与传统镜头对比，如图：远心镜头又分为物方远心和双侧远心两种，如图:Imsger stde tetecentri c EensObject side telecentrFC EensBoth sides tetecentric I已rts机器视觉的镜头选择创造不同机器视觉为工业控制系统增加了新的维度，它可以提供装配线 上零件的尺寸、位置和方

6、向。而合适的镜头选择对于机器视觉能否发 挥应有的作用是非常重要的。机器视觉在控制工业流程当中的作用越来越重要了，尤其是 在机器人引导、目标识别和质量保证等领域。当前优秀的视觉系统已 经超出了那些基本功能（例如辨别零件和确定方向）的范畴，还可以 提供后续功能的信息，比如将物体从一个位置移至另一个。对于装配线和大量检测操作中使用的机器人系统，比如汽车生产 和检测线，传送带通常是参考。这里，机器人执行两项任务：识别和 传送。在绝大多数机器视觉应用里，光学控制都是非常重要的。机器人 视觉系统同样要求极高的可重复性，因此减少抖动提供清晰图像是必 要的。在类似药品工厂这样的大规模单位检测线上，视觉系统必须

7、能够 辨识缺陷包、不可读标签和产品缺失。视觉系统必须能够以极高的准 确度快速识别和测量方形、圆形和椭圆形物体。提高机器视觉系统的 精确度，可以帮助保持统一的包装表面和颜色。对于食品检测系统， 产品的尺寸、颜色、密度和形状都需要依靠多元检测才确定。多元机 器视觉系统既可以是彩色相机也可以是黑白相机，通常使用结构照明 方法建立产品外表和内在结构。尽管照相机、分析软件和照明对于机器视觉系统都是十分重要 的，可能最关键的元件还是成像镜头。系统若想完全发挥其功能，镜 头必须要能够满足要求才行。当为控制系统选择镜头的时候，机器视 觉集成商应该考虑四个主要因素：可以检测物体类别和特性；景深或者焦距；加载和检

8、测距离；运行环境。分析这四个因素，可以针对具体应用确定合适的镜头选择。主要放大率主要放大率是指传感器上图像尺寸对于实际物体大小的比例。物体特性在为机器视觉系统选择镜头之前，系统集成商必须确定物体和分 析环境。这个可视区域叫做无遮挡视场（FOV），它可以使用竖直和 水平两个角度进行测量。通常，竖直方向和水平方向尺寸的比例是4： 3,这个比例取决于照相机传感器工作区域的尺寸。传感器的大小对 于确定无遮挡视场所需要的主要放大率（PMAG）是非常重要的PMAG 是由传感器尺寸与FOV相比得到，是镜头的工作成效。当确定镜头是 否合适的时候，这一点需要考虑。PMAG=传警尸I W 3-镜头放大率对于不同尺

9、寸芯片照相机匹配镜头相当重要，然 而，不要把镜头放大率和显微镜放大率搞混了，后者是由光管长度和 实际物镜焦距决定的。而镜头放大率主要考虑的是照相机传感器的尺 寸。系统放大率（SMAG）是监视器尺寸与传感器尺寸的比例与PMAG的乘积结果。它是从物体到监视器图像的总体放大率，也就是整个系 统的“工作”结果。考虑物体的屏幕尺寸时，系统放大率是有用的。MW V监规器尺寸SMAGPMAG X传感器尺寸物体的特性也很重要。镜头对于物体特征的解析能力依赖于 特征的对比是否强烈。确定系统解析度、或者物体最小更解析特征的 方法，可以使用诸如伦奇刻线法这样的解像力方法。这些刻线法以线 耦（等宽度的一条黑线和一条白

10、线）来决定特征。其他的解像力方法 还可以用圆圈和点状网格。镜头在指定光线条件下辨识特定宽度的线耦或者点距的能力，决 定了它的解析度。解析度通常被模块转换功能（MTF）以图像的方式 显示出来。图形显示了指定线耦频率下可行的相对对比度。扭曲、色差和其 他波前畸变都会影响曲线的斜率，使曲线偏离理想状态或者衍射极限 的光学表现。镜头方案有时候会以每毫米线耦数量（lp/mm）为单位 列出物体解析度，再将这个值除以1000就可以预测出镜头每微米的 物体解析度。在进行表面剖析的时候，通常不只使用一台照相机和镜头，而了 解镜头的内在偏差（aberration）量也是有价值的。偏差是指镜头里 的光学误差，可以引

11、起同一张图片里不同点的图像质量差异。剖析通 常包括激光线和其他图像里的光线，这样可以确保测量的准确性。一 些软件程序可以消除诸如镜头引起的扭曲之类的误差，所以在最终图 像里只有剖析数据是明显的。大型格式和区域扫描照相机镜头是控制应用优秀的解决方案，因 为它具有高解析度、低扭曲和有限色差。大范围FOV和兼容性，以及 大型格式传感器，使这些镜头在Web、LCD、食品和饮料行业的应用 具有很高的价值。镜头是机器视觉系统性能的主要决定因素。距离约束自动化机器视觉系统和装配线所需的空间差异很大，可以只有几 米，也可能需要一整座厂房。所谓的工作距离，是指当图像在焦距范 围内的时候，物体和照相机镜头前端的距

12、离。它限制了视觉系统以及 和视觉系统一起工作的设备所需要的空间。有一些应用，比如通过真 空炉端口观察，工作距离非常灵活，近焦镜头和长工作距离视频显微 镜头都可以使用。其他的应用，比如强电微观检测，工作距离就只有 几个英寸。在极限范围内，通过镜头重新对焦，可以改变工作距离。无限共 轭镜头的对焦距离可以从最小工作距离一直到无限远，有限共轭镜头 则有一个特定工作距离范围。存放和加载限制，包括用于艰苦环境的保护外壳，必须具有足够 的柔性，可以根据工作距离进行调整。比如在很多安装场合，感兴趣 的产品区域和产品线可能在检测过程中发生变化，这就要求视觉系统 和视觉元件可以根据若干种传感条件进行调整。很多照相

13、机镜头需要 平稳加载，但是当物体空间（物体和镜头之间的距离）受到限制，改 变像空间（image space，镜头与图像之间的距离），就可以改变工 作距离。像空间可以使用两种方式进行改变：通过缩放功能或者隔离。缩 放镜头可以调整照相机系统的视场，而不需要改变工作距离。一些缩 放系统的元件可以定制组成特殊型号的系统。度量衡和显微应用需要 以微米为单位进行放大，这些镜头系统可以同显微镜下的物体对应。缩放镜头保持着高解析度，但是成本高昂。另外一种方案，镜头隔离 器十分经济，并且可以缩短工作距离、减小镜头的可视范围。然而不 幸的是，这会带来扭曲同时降低解析度。因此，除非空间调整是在 5mm之内或者镜头的

14、设计就带有隔离器，否则隔离器不是一个推荐的 方案。藐头设计参数愕感番尺寸一=照招机f I.果虱,於孕瞅心5l基本的镜头设计因素可以确定图像特性景深光学系统的性能取决于允许的图像模糊程度，模糊可能源于物体 平面或者图像平面的位置漂移。景深是指由探测器移动引起的可以接受的模糊 范围，它依赖于工作F数（F/#），可以用来衡量镜头的聚光能力。 F/#在镜头孔径减小时增加。减小镜头孔径，就意味着增加F/#，也 就是增加系统景深，但是却减少了传感器的进光量，所以要提高照明 等级进行补偿。列出景深的镜头方案也应该给出相应的F/#值，如果 这个值可以测量的话。景深效果（DOF）是指由于物体移动导致的模糊。DO

15、F是完全在 焦距范围内最大的物体深度，它也是保持理想对焦状态下物体允许的 移动量（从最佳焦距前后移动）。当物体的放置位置比工作距离近或 者远的时候，它就位于焦外了，这样解析度和对比度都会受到不好的 影响。出于这个原因，DOF同指定的解析度和对比度相配合。当景深 一定的情况下，DOF可以通过缩小镜头孔径（也就是增加F/#值）来 变大，同时也需要光线增强。镜头的DOF范围取决于有效焦距、可接受的模糊直径。有一些镜 头被设计成超焦或者可超焦的，这就意味着焦内的远点可以拓展到无 限远。这种技术通常应用在定焦镜头上，景深效果很深，但是却可以 通过虹膜的帮助进行调整。不要把远心镜头和大景深镜头弄混了。远心镜头可以使机器视觉 系统控制放大率、消除潜在误差，所以同尺寸的物体在照片上高度都 是一致的，无论它距离照相机有多远。这种镜头一个实际应用的例子 是分析计算机电路板。远心镜头通常有一个工作距离范围，在每一个 工作距离点形成有限的景深。集成商在为一个项目选择远心镜头的时 候，既需要考虑工作距离范围，还需要考虑景深效果。在很多情况下，比如说管道检测，可以使用变焦镜头获得较大的 景深。变焦镜头和缩放镜头很类似，应用在需要经常变换焦距的场合。 这些镜头经常是马达驱动的，可以保证在对焦平面上平滑移动。使用 这样的镜头，整个管道、每一个环节都可以扫描到，通过调整焦距来 发现每个缺陷