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工业镜头——远心、线扫、微距选型

In: 镜头知识 On: Thursday, May 9, 2019 Hit: 503

      为了优化您的高性能机器视觉系统; 您需要为它搭配一个合适的镜头。东正专注于工业相机十余年,凭借多年的经验,我们可以提供一些镜头选型的基础知识。当然,根据应用场景不同,这里提供的选型信息和示例只是一个简单的概述,如有任何复杂问题,请与我们联系。

      在介绍选择镜头时应考虑哪些因素之前,您应该首先了解一下各种类型的镜头。一般来说,工业镜头可以分为微距、远心以及线扫镜头。此外,还有用于近红外的特殊镜头。在机器视觉系统中使用得比较广泛的主要是远心、微距、线扫等镜头。

在选择镜头的过程中有四个比较重要的因素:

1.感光芯片与靶面尺寸

      选择合适的芯片尺寸是让镜头正常工作的一个很重要的前提,高分辨率面阵相机及线阵相机的芯片尺寸相比低分辨率相机更大、也更贵。相芯片尺寸本身并没有标准,而是由芯片的分辨率和像素大小决定。

1.1相机接口

      相机与镜头之间的连接处称为接口。接口通常采用标准尺寸,根据相机机身的螺纹类型进行标记。C口是机器视觉相机最常用的接口类型,适合直径为20 mm(相当于1.5英寸)的芯片。对于更大的芯片,通常使用F口或F卡口,但是这类接口很少用于工业应用。对于这些应用,通常使用CS口和S口镜头,这些镜头更适合小型芯片。而S口镜头用于1/2″、1/3″或更小尺寸的芯片。要在CS口机身安装C口镜头,则需要5 mm接圈。但是反过来 CS口镜头是不能安装在C口相机上的。

1.2靶面尺寸

      镜头接口的尺寸可以一定条件下用于推导靶面大小,靶面指的是由镜头透射的光照射到芯片表面的直径。类似于芯片尺寸,靶面直径单位也为英寸。理想情况下,1/3″的C口镜头应安装在采用1/3″芯片的相机上,尽量发挥出相机和镜头的分辨率。如果我们将1/3″的镜头安装在采用1/2″大小芯片的相机上,就会出现芯片边缘没有接受代光线引起图像边缘照度明显低于中心,此过程称为“渐晕”。

      假设我们采用相同焦距的2/3″镜头以及1/3″芯片,则不会产生任何光晕。不过,视角会改变。原则上,使用大的镜头甚至是一项优势,因为可以形成更大的靶面,这意味着,图像从中心到边缘的锐化可以保持一致

      在这种情况下很大一部分靶面无法使用,也就造成资金浪费。图像的大小由芯片尺寸决定。镜头越大,价格越贵。对于较小的芯片,您应该使用适当的较小镜头。

2.分辨率和精度

      显然,只有使用高分辨率镜头,才能获得高分辨率图像。但是,要获得高分辨率图像,仅仅像素数较高是不够的。镜头还必须能够解析足够小的像素点。镜头的分辨率以表示每毫米可以分离线对的数量来衡量。可以分辨的线对数越多,镜头的分辨率越高。MTF曲线(调制传递函数)可以描述镜头从图像中心到边缘的分辨率性能,您可以向制造商索取这些曲线。计算MTF曲线的参照物是黑色和白色线条测试图,可以直接读出以lp/mm表示的最大分辨率。

镜头分辨率以每毫米线对数(lp/mm)表示

      镜头分辨率可确定能解析的像素大小,但大多数情况下也可直接指定镜头可解析的百万像素数。比如,对于具备500万像素分辨率的芯片,它具有500万个像素点,所以我们需要能解析全部500万像素分辨率的镜头。

典型分辨率测试图

3. 焦距、放大率、工作距

      我们将镜头的光学中心和焦点之间的距离定义为焦距。平行入射光的所有光线在焦点相交。因而镜头焦距f依赖镜片的屈光度,以毫米为单位表示。焦距越大,镜头的远摄特性越强。体育摄影师和狗仔队使用的巨型长焦镜头显然比消费相机的镜头焦距更长。广角镜头和鱼眼镜头焦距相应较小。焦距由芯片宽度、视场宽度和工作距离决定。

      放大率指的是物体通过镜片组后在焦平面上成像的尺寸与物体实际尺寸的比值,即图像的放大率=(相机的传感器对角线尺寸)/(视野对角线尺寸)

      工作距(WD)指的是镜头与被测物之间的空间距离,它通常取决于您的设备具有多大的空间。当然,一般情况下越近越好(节省空间),WD最好介于视野的2-4倍。

      它们之间的关系可以表示为:

焦距=WD ×芯片尺寸( H or V) / FOV( H or V)=WD×放大率

4. 光圈

      相机光圈的选择直接影响图像质量和亮度。F数(或F制光圈)是焦距与光圈直径的比值,表示光圈全开的宽度。F数较高意味着光圈较小,从而投射在芯片上的光线较少。当光圈全开时,更多的光线将投射到芯片上,则只需较少的额外光线,便可获得出色图像。对于较差的光源,应该选择全开光圈。

      较小的光圈既有优点也有缺点。这可以降低光晕和其他像差等意外效果,并增加焦距和景深。 然而,如果采用太小的光圈,会产生衍射模糊。在这种情况下光圈边缘的入射光将发生偏斜,对图像质量产生不利影响。因此,每个镜头的理想F数实际上都是最小衍射模糊与最大景深之间的平衡。

F#=1:2~22

      F数较小可以增加景深,但会导致严重变暗,产生衍射模糊。因此,您应该找到一个好的平衡点。

5.选型实例

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       澳门新葡亰在线通常应用于高精度测量和视野较小或者工作距离较近的场景,DZO提供的是固定倍率和工作距离的澳门新葡亰在线,所以它的选型相对简单。首先,您的设备是否需要同轴打光,这取决于您的使用场景是否有充足的空间通过其他方式完成照明。其次,您需要确定的观测物的尺寸是多大,对于澳门新葡亰在线,镜头的必须要大于观测尺寸。

例:相机芯片大小1’’,接口为C口;视野50mm*30mm;工作距小于160mm;

       计算倍率:芯片尺寸/视野=12.7/50=0.254

       所以需要找到满足:镜头直径大于50mm,靶面大于2/3’’,工作距小于160mm,放大倍数约为0.29倍的镜头。

微距镜头:

       微距镜头通常用于超短距离的成像,由于工作距离短,相对于澳门新葡亰在线具有更大的放大率,其中放大倍倍率0.05~0.82可选;由于它们的高放大倍率,微距镜头倾向于以较大f /#运行,该f /#通常比相同倍率的远心大两倍左右。DZO所提供的微距镜头具有更低的工作距离、更大的成像尺寸、更高的分辨率,最重要的是更低的价格!

例:相机为3.45u、2/3’’芯片,5M像素,C口,视野范围要求30mm*20mm,工作距小于150mm ,能分辨出17u的缺陷

       计算倍率:8.8mm/30mm=0.293  6.6mm/20mm=0.33  17u*0.292≈5u

       所以需要找到:分辨率小于5u,放大倍率约0.293,工作距小于150mm,兼容C口的镜头,以下为我司产品中满足要求的镜头。

线扫镜头:

      线扫镜头是一种对应图像大小、像素大小、线传感系列相机用高性能FA镜头,可应用于各种高精度检查。DZO东正光学澳门新葡亰赌995577支持2K到16K的几乎所有类型的工业线阵相机。具有较高的解析度,最高可达200lp/mm、超低畸变、以及良好的色差矫正能力。很显然,C接口远远不能满足要求,因为C接口最大只能接22mm的芯片,也就是1.3’’。而很多相机的接口为F,M42*1,M72*0.75等,不同的镜头接口对应不同的后背焦,也就决定了镜头的工作距离不一样。由此看来,线扫镜头相对来说选型会比较麻烦,大致过程可以概括为:

1、靶面大小

2、视野范围

3、计算得到倍率,根据客户工作距离、芯片像元大小选择合适镜头

4、选配调焦环、接圈

例:相机为E2V 12K 5u(M95接口),视野大于180mm,工作距小于500mm

      靶面大小:12K*5u≈60mm

      倍率:60/180=0.333

      工作距:在表格中输入放大率、相面大小计算得到工作距450mm,法兰距149mm

      已知: E2V12K 5u相机,M95接口,相机法兰距通常为12mm,因此配置为:

LS10056A + Unifoc34A + AD5872100+AD729503

      以下产品为我司提供的满足上述要求的线扫镜头。

恭喜,您已经为您的相机找到了合适的镜头!

 

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