机器视觉工业镜头解析

2016-07-18新闻资讯

机器视觉虽然发展了这么多年,但很多人认识机器视觉工业镜头或工业相机还是用民用数码相机的概念来直接套用,造成认知误差,甚至导致重要项目或研究因为硬件的选型不到位而失败,走了很多弯路,浪费财力、物力、精力耽搁时间。接下来先带您了解一下机器视觉工业镜头的基本概念。

工业镜头将三维被测物体和它周围的环境,光学成像并投影在工业相机的二维图像传感器平面上。一般这个平面是长宽比为4:3的矩形,我们称这个矩形为成像面。和成像面中的图像对应的物体平面被称作视野(Field of View,FOV)。从被测物体到物景的距离称为工作距离(Work Distance,WD)。以景头最佳聚焦D为中心,前后存在一个范围。在此范围内景头能在像平面上获得清晰的图像,这个范围被称为景深(Depth of Field)。

一、摄像物景的光学成像特性

影响摄像物镜成像的原因很多,它们之间的关系也很复杂,对于从事机器视觉,非光学专业的技术人员来讲,了解以下三个主要特性,定性地知道它们的意义及相互关系就可以了。但应该掌握如何使用物镜焦距f,来选择镜头。

1、物镜的焦距f

物镜的焦距决定了物体在成像面上成像的大小,用不同焦距的物镜对同一位置物体成像时,焦距越长,所得的像也越大。为了满足各种成像的要求,物景焦距值相差很大,短的只有几毫米,长的达数十米。有的镜头为适应不同的取像要求,设计成焦距可变,这种变焦距镜头可以获不同放大倍数的像,例如3倍,6倍,9倍等等。

2、相对孔径D/f

一般的镜头都是由多片镜片组合而成,的光线经过这些镜片到达成像面时,并不是所有的光线都能通过,而是有一部分被阻挡了。就好像光线通过一个孔,孔越大,通过的光线越多,在像平面上的像越亮。

景头光圈的大小用相对孔径F=D/f来表示,其中D为景头中光线能通过的圆孔直径,f为焦距。F越大能收集和通过的光线越多,同时,焦距越短,这些光线到达成像面的密度越高。例如:维视图像工业镜头AFT-5018MP的焦距是50毫米,有效孔径D为9.8毫米,则相对孔径为8.9/50=1/5.6。我们在镜头上看到的相对孔径都是以1/F的倒数表达的,例如3.4,5.6,8,11,16等等。到达成像面的照度与相对孔径F的平方成正比。从F=8到5.6,光圈每增加一档,光照度增加一倍。这也是相对孔径为什么以这样的间隔来分档的原因,它大大地方便了光圈的使用。

相对孔径F=D/f的大小决定了物镜的分辨率、像面的照度和成像质量。目前随着大家对镜头品质要求越来越高,出现百万像素、300万像素、500万像素及1000万像素工业镜头,大大的提高了成像质量,关于这方面的知识维视图像在以后的文章中会深入解析请大家在其官网及分公司网站的公司动态或产品知识中进行关注。

孔径D越大,成像分辨率越高,当然这里所提的是像面的中心分辨,在视场边缘,会有所下降。

相对孔径F越大,既光圈越大,景深越短,光圈越小,景深越。在机器视觉系统的调节过程中,这一关系是很重要的。由于被测物体前后运动的差异,要求具有长的景深,为了实现这一目的,有时会加大光照强度,减小光圈来增加景深,获得较大深浅范围内的清晰图像。

3、视场角2ω

物镜的视场角决定了在像面上良好成像的空间范围。当焦距f一定时,视场角越大,成像也越大;同时,当成像面的尺寸一定时,焦距越长,视场角越少。例如俗称的广角镜头,其焦距就很短。

以上所叙的物镜的三个参数之间,有着相互制约的关系,在此我们就不深入讨论了。下表列出了不同类型摄像镜头的三个参数供用户参考。

普通摄影物镜

广角摄影物镜

远摄物镜

变焦距物镜

焦距f′

20~500mm

70.4mm

>3m

可变5ⅹ

相对孔径D/ f′

1:9/1:2.8

1:6.8

<1:6

1:24

视角场2ω

64°

122°

<30°

40°

近几年来,精密测量及各种高要求的工业检测不断出现,工业镜头技术也得到长足发展,不断涌现出许多新的产品类型,由远心光学系统(BTOS)技术研发的远心镜头、双远心镜头以其大景深、零畸变、高分辨得到市场的广泛认可和使用,关于这方面的知识,维视图像也会在今后的技术文章中不断给大家分享。

以上是工业镜头概念的一点解析,希望对大家有所帮助,我们会不断创作出更多符合实际的文章,来解决大家遇到的问题。