远心镜头的结构,您了解多少?

2016-07-28技术资料

工业镜头作为机器视觉的重要部件,主要用于聚集光线并将被拍摄目标的光学影像成在摄像机的CCD/CMOS传感器表面上,让摄像机能够采集到清晰锐利的图像。在整个机器视觉系统中,镜头完成了被测物信息采集和传递,其品质好坏直接影响被测物体信息的精准度。相比普通镜头,远心镜头必须提供更小的光学畸变、足够高的光学分辨率以及更丰富的光谱响应选择,来满足不同场合视觉系统中的应用需求。

一、特点优势:

1.远心镜头:

优点:放大倍数恒定,不随景深变化而变化;无视差。
缺点:成本高;尺寸大;重量重。
应用:度量衡方面;基于CCD方面的测量;微晶学。

2.普通镜头:

优点:成本低;实用;用途广。
缺点:放大倍率会有变化;有视差。
应用:大物体成像。

3.在用普通镜头进行尺寸测量时,会存在着如下问题:

(1)由于被测量物体不在同一个测量平面,而造成放大倍率的不同;
(2)镜头畸变大;
(3)视差,也就是当物距变大时,对物体的放大倍数也改变;
(4)镜头的解析度不高;
(5)由于光源的几何特性,而造成的图像边缘位置的不确定性。

远心镜头可以有效的解决以上问题,无论何处,在特定的工作距离,重新调焦后会有相同的放大倍率,因为远心镜头的最大视场范围直接与镜头的光栏接近程度有关,镜头尺寸越大,需要的视场就越大。远心测量镜头能提供优越的影像质素,畸变比传统定焦镜头小,这种光学设计令影像面更对称,可配合软件进行精密测量。

二、远心镜头分类:

远心镜头有以下三种分类:

1.物方远心镜头

物方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上,当孔径光阑放在像方焦平面上时,即使物距发生改变,像距也发生改变,但像高并没有发生改变,即测得的物体尺寸不会变化。 物方远心镜头用于工业精密测量,畸变极小,高性能的可以达到无畸变。

2.像方远心镜头

像方远心镜头,通过在物方焦平面上放置孔径光阑,使像方主光线平行于光轴,从而虽然CCD芯片的安装位置有改变,在CCD芯片上投影成像大小不变。

3.两侧远心镜头

此镜头兼于上面两种镜头的优点。在工业图像处理/机器视觉中,一般只使用物方远心镜头。偶尔也有使用两侧远心镜头的,(当然价格更高)。而在工业图像处理/机器视觉这个领域里,像方远心镜头一般来说不会起作用的,因此这个行业基本是不用它的。

三、考虑因素:

工业镜头,作为机器视觉系统中的重要成像部件,一般可以按照以下几个方面来进行分析考虑:

1.考虑镜头波长、变焦

工业镜头的工作波长和是否需要变焦是比较容易先确定下来的,成像过程中需要改变放大倍率的应用,采用变焦镜头,否则采用定焦镜头就可以了。

关于工业镜头的工作波长,常见的是可见光波段,也有其他波段的应用。是否需要另外采取滤光措施?单色光还是多色光?能否有效避开杂散光的影响?把这几个问题考虑清楚,综合衡量后再确定镜头的工作波长。

2.优先考虑特殊要求

结合实际的应用特点,可能会有特殊要求,应该予先明确下来。例如是否需测量功能,是否需使用远心镜头,成像的景深是否很大等等。景深往往不被重视,但是它却是任何成像系统都必须考虑的。

3.考虑工作距离、焦距

工作距离和焦距往往结合起来一块考虑。一般地,可以采用这个思路:先明确系统的分辨率,结合CCD像素尺寸就能知道放大倍率,再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离,进一步估算工业镜头的焦距。所以工业镜头的焦距是和工业镜头的工作距离、系统分辨率(及CCD像素尺寸)相关的。

4.考虑像面大小和像质

所选工业镜头的像面大小要与相机感光面大小兼容,遵循“大的兼容小的”原则——相机感光面不能超出镜头标示的像面尺寸——否则边缘视场的像质不保。

像质的要求主要关注MTF和畸变两项。在测量应用中,尤其应该重视畸变。

5.考虑镜头光圈和接口

工业镜头的光圈主要影响像面的亮度。但是现在的机器视觉中,最终的图像亮度是由很多因素共同决定的:光圈、相机增益、积分时间、光源等等。所以为了获得必要的图像亮度有比较多的环节供调整。

工业镜头的接口指它与相机的连接接口,它们两者需匹配,不能直接匹配就需考虑转接。

6.最后考虑成本和技术成熟度

如果以上因素考虑完之后有多项方案都能满足要求,则可以考虑成本和技术成熟度,进行权衡择优选取。

四、事例说明:

例如,要给硬币检测成像系统选配工业镜头,约束条件:相机CCD 2/3英寸,像素尺寸4.65μm,C口。工作距离大于200mm,系统分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。

基本分析如下:

1) 与白色LED光源配合使用的,镜头应该是可见光波段。没有变焦要求,选择定焦镜头就可以了。

2) 用于工业检测,其中带有测量功能,所以所选镜头的畸变要求小。

3) 工作距离和焦距


4) 选择镜头的像面应该不小于CCD尺寸,即至少2/3 英寸。
5) 镜头的接口要求是C口,能配合相机使用。光圈暂无要求。

从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的“轮廓”:焦距大于17mm,定焦,可见光波段,C口,至少能配合2/3英寸CCD使用,而且成像畸变要小。按照这些要求,可以进一步的挑选,如果多款镜头都能符合这些要求,可以择优选用。