工 业 镜 头 工业镜头 工业镜头

工业镜头_数字图像

视野（FOV):图像采集设备所能够覆盖的范围，它可以是在监视器上可以见到的范围，也可以使设备所输出的数字图像所能覆盖的最大范围。

最大/最小工作距离( Work Distance):从物镜到被检测物体的距离的范围，小于最小工作距离大于最大工作距离系统均不能正确成像。

景深（Depth Of Field) :在某个调焦位置上，景深内的物体都可以清晰成像。

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工业镜头

分类 介绍
定焦 固定焦距的镜头在同样工作距离的情况下，视野大小固定。
变焦 焦距可以根据需要进行调整，使被摄物体的图像放大或缩小。变焦距镜头又可分手动变焦电动变焦。

按照等效焦距分为

分类 介绍
广角镜头 等效焦距小于标准镜头（等效焦距为50mm）的镜头。特点是最小工作距离短，景深大，视角大。常常表现为桶形畸变。
中焦距镜头 焦距介于广角镜头和长焦镜头之间的镜头。通常情况下畸变校正较好。
长焦距镜头 等效焦距超过200mm的镜头。工作距离长，放大比大，畸变常常表现为枕形状畸变。

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按照用途分为

分类 介绍
微距镜头(或者成为显微镜头) 用于拍摄较小的目标具有很大的放大比(2:1～1:4)
远心镜头 包括物方远心镜头和像方远心镜头以及双边远心镜头。

远心镜头的主要特点

平行光路
在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差;即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样亲会产生测量误差。

采用远心物镜中的物方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而像方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。

固定的光圈、工作距离和放大倍率
远心镜头有固定的光圈大小、工作距离和放大倍率，因此无法调节镜头的亮度和视野，只能通过选择不同的型号的镜头来满足检测的需要。而上述三者固定的情况下，镜头的景深同时也固定了。

远心镜配平行光

什么时候选用远心镜?

a)当需要检测有厚度的物体时
b)需要检测不在同一平面的物体时;
c)当需要检测带孔径、三维的物体时;
d)当需要低畸变、图像效果亮度几乎完全一致时;
e)当缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到时。

远心光路成像是机器视觉中一个很重要的原理。但是它有一个很大的缺点，那就是远心镜头的口径至少要与需要观察的物体尺寸相等或更大。这也是为什么远心镜头非常贵的原因之一。

镜头特性

畸变

指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。
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景深

在不做任何调节的情况下，在物方空间内，可接受的能清晰成像的空间范围。

景深的影响:

  • 工作距离越远，景深越大。
  • 镜头焦距越短，景深越大。
  • 光圈越小，景深越大。
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镜头接口

镜头的接口尺寸是有国际标准的，接口有两种机械操作方式:
卡口方式用于F口;
螺口方式用于C口、CS口和S口。

常用的有下面这些:

  • C口:多用于工业相机，最常用的工业镜头接口
  • CS口:多用于监控相机。
  • F口:多用于单反相机及大靶面芯片尺寸或者线阵相机。
  • M42:多用于大靶面的工业相机。
  • M12:多用于板集相机。

F口（也称为“F卡口”）是相机镜头的卡口连接方式，最初由Nikon推出，用于单反相机。F卡口的法兰距为46.5 mm。此连接方式适合匹配4/3"芯片，这种芯片对于C口来说则尺寸过大。

C口是相机镜头的标准螺口连接方式。该螺纹的标称直径为1英寸(24.5 mm)，其螺距为1/32英寸。此接口的法兰距为17.526 mm (0.69英寸）。

CS口与C口相比只是其法兰距不同:12.526 mm (0.493英寸)。CS口相机可通过使用一个5 mm适配器来与C口镜头组合使用。

S口（也称M12)的螺纹为M12x 0.5 mm，即，其直径仅12 mm，主要用于将非常小的镜头装接到相机上。它们适用于小型芯片（小于1/2") 。
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根据芯片尺寸不同，镜头应尽可能与芯片尺寸相匹配。这就意味着，镜头靶面尺寸应与芯片尺寸相同或只是略大，这样才能充分利用镜头的潜能。如果镜头靶面比芯片表面小芯片周围的表面就会浪费，同时浪费了本可以用来提高分辨率的机会。
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镜头的主要构成:D为光阑;ENP为入瞳;EXP为出瞳。F为像方焦点;F为物方焦点。中间都为透光镜组。
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  • 1.主轴:通过凸透镜两个球面球心C1、C2的直线叫凸透镜的主光轴，简称主轴。
  • 2.光心:凸透镜的中心О点是透镜的光心。
  • 3.焦点:平行于主轴的光线经过凸透镜后会聚于主光轴上一点 F，这一点是凸透镜的焦点。
  • 4.焦距:焦点F到凸透镜光心О的距离叫焦距，用f表示。
  • 5.物距:物体到凸透镜光心的距离称物距，用u表示。
  • 6.像距:物体经凸透镜所成的像到凸透镜光心的距离称像距，用v表示。
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工业定焦镜头的主要参数

焦距f
无限远目标的轴上共轮点是镜头的(像方)焦点，而此焦点到(像方)主面的距离称为焦距。焦距描述了镜头的基本成像规律:在不同物距上，目标的成像位置和成像大小由焦距决定。工业定焦镜常用的焦距有6mm，8mm,12mm,16mm,25mm,35mm,50mm。

光圈
光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如F1.4，F2，F2.8，F4，F5.6，F8，F16等。数值越大，光圈越小，图像越暗。

对焦范围
可清晰成像的工作距离范围。通常镜头都有一个最小的对焦距离。

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相对孔径

光学镜头的重要参数之一，用镜头的有效孔径和焦距之比表示。

相对孔径是个比值。相对孔径的大小表示镜头通光孔径的大小，因此相对孔径值越大能够通过的光也就越多。

相对孔径的倒数称光孔号码或光圈系数F，相对孔径与光圈系数F互为倒数。

最大的相对孔径刻在镜头上。1:2.8 比1:4的相对孔径要大，通过的光也就要多。
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近摄接卷(减少最小工作距离)

受到镜头最小对焦距离的限制，需要满足视野要求的情况下，镜头的工作距离会小于其标称的最小对焦距离。因此造成，视野大小合适，但是对焦是模糊的。

可以通过在镜头和相机之间增加接圈(增大像距），由此，CCD的感光面可以位于照相镜头的像方焦面的外面一段距离，从而可以摄取到较近距离目标的像，但它受到图像清晰度的限制。

镜头的选型方法

Step 1:相机选型完成后，也确定了CCD芯片大小和视场大小。
Step 2:计算光学放大倍率
Step 3:确定工作距离
Step 4:查找目录找出接近的型号
Step 5:察看景深、分辨率是否满足要求
Step 6:确定镜头接口和最大兼容CCD无问题

焦距—>接口—>靶面尺寸—>分辨率
  • 光学放大倍率（PMAG）=感光芯片尺寸(mm)/视场(mm)。
  • 工作距离如果不满足镜头的最小对焦距离，需要选配近摄接圈。
  • 远心镜的放大倍率和工作距离是固定的，根据视野大小确定最接近的镜头放大倍率。

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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)。

现在工业相机的像素很多都在百万以上，但是要充分体现高清工业相机百万像素的性能还需要与之相匹配的高清镜头。那么怎么选择高清镜头呢?

我们知道了一个镜头有它的最高分辨率N lp/mm，那么根据纳奎斯特采样定理，至少需要配以2N/mm个空间采样点。这个可以这样来理解，1mm内有N对黑白线对，那么就有N条白线和N条黑线总共2N条线。以相机的一个像素对应以一条白线或黑线，那么相机在1mm内需要有2N个感光元来对应N条白线和N条黑线，相机的像元密度就是2N/mm

当拍摄的黑白线条密度越来越高,通过镜头成像的线条黑白反差会越来越小
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实例

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镜头选型