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機器視覺檢測的基礎(chǔ)知識【鏡頭篇】
發(fā)布日期:2019-07-24

一,什么是鏡頭?

簡單講就是在其一端收集物體的光線,并將光線在另一端匯聚為實像,并投影到接收面的物體。此時,匯集光線的點稱為焦點,鏡頭中心到焦點的距離稱為焦點距離。當(dāng)鏡頭為凸鏡時,焦點距離將根據(jù)鏡頭的厚度(膨脹)程度不同而各不相同。膨脹程度越大焦點距離越短。

二,鏡頭的重要參數(shù)。

玩攝影的朋友都知道,鏡頭幾個基本的參數(shù)包括焦距(長焦,廣角,變焦范圍),F值(表征透光率)等。而工業(yè)用鏡頭與之相比,更關(guān)注以下幾個參數(shù):

1WDWork Distance工作距離)

表示焦點對準(zhǔn)拍攝對象時,鏡頭頂端到拍攝對象的距離。也稱為作動距離。當(dāng)為 CCD 時,比例公式工作距離:視野=焦點距離:CCD 尺寸成立。

2,焦點距離(焦距)

FA(Factory Automation) 鏡頭中有代表性的鏡頭為焦點距離為 8 mm /16 mm /25 mm /50 mm等規(guī)格的鏡頭。根據(jù)想要拍攝的拍攝對象所需的視野和焦點距離,可以求出對焦位置= WD (工作距離)。

WD 和視野的大小由鏡頭的焦點距離和 CCD 的尺寸來決定。例如:焦點距離為 16 mm 鏡頭、CCD 尺寸 3.6 mm 時,如果想把視野設(shè)為 45 mm,則 WD 變?yōu)?span lang="EN-US"> 200 mm。

3,視野

工作距離范圍中的拍攝范圍。一般來說,拍攝對象和鏡頭的工作距離越長,則視野越廣(視野角)。另外,視野的廣度由鏡頭的焦點距離來決定。我們將相對于視野,使用鏡頭可以拍攝的范圍的角度稱為視角或者視野角。鏡頭的焦點距離越短,則視角越大,視野也就越廣。相反,焦點距離越長,則可以放大遠處的拍攝對象。

4,景深 

是指使人感覺鏡頭對焦的深度范圍(拍攝物體側(cè)的距離)。范圍較大時,稱為「景深深」,相反范圍較小時稱為「景深淺」。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膩碚f,對焦位置只有一個,只不過肉眼在一定的范圍內(nèi)感覺圖像能夠清晰成像。我們將此范圍稱為景深。

如下圖所示,我們在拍攝斜面上粘貼表示高度的膠帶的這個對象時,針對調(diào)大光圈的情況和調(diào)小光圈的情況進行比較。

最終的景深需要實測才能知道。因為除了鏡頭本身的結(jié)構(gòu)外,影響景深的因素還有很多。

1,鏡頭本身。

2,光圈越小,景深越大。

3,照明越亮,景深越大。(快門速度越慢,景深越大)

4,焦距越小,景深越大。

5,WD工作距離越大,景深越大。

6,CCD的單個像素直徑越大,景深越大。

5,鏡頭的分辨率

鏡頭的分辨率不光使用在圖像處理中,它是指所有光學(xué)測量儀器中使用的鏡頭可以觀察的最小間隔。如分辨率為 10 μm 的鏡頭,可以清晰的觀察線寬為 10 μm、間距為 10 μm 并列條紋線。分辨率不足時,人們感覺 2 根線好像重疊在一起。這時候,需要更高分辨率的鏡頭。

6,鏡頭的倍率

所謂倍率,是指檢測對象的實際大小與通過光學(xué)測量儀器成像大小的比率。以往在通過顯微鏡的接眼部觀察時,我們使用光學(xué)倍率這一概念,但是近年來由于可以將觀測對象物顯示在液晶顯示器上的系統(tǒng)不斷增多,顯示器倍率這一概念也已經(jīng)普及。

【光學(xué)倍率】

用數(shù)碼相機的原理考慮時,光學(xué)倍率可以通過「CCD 有效像素大小 ÷ 視野」來求得。

【顯示器倍率】

顯示器倍率可以通過「顯示器對角 ÷ CCD 素子對角 × 光學(xué)倍率」來求得。

7,F

F 值(或者光圈值)是指表示鏡頭的明亮度的基準(zhǔn)。準(zhǔn)確的來說,就是鏡頭的焦點距離除以鏡頭直徑(口徑)得到的值。F 值的「F」來源于 focal (焦點的)這個詞。

事實上,鏡頭并不會讓所有光線都透過,其中的一部分會反射。而且,為了減少像差使用多個鏡頭時,透過的光量會變少。

因此,光的透過量較多,可以獲得明亮成像的鏡頭我們稱為「亮」,相反光的透過量較鏡頭則稱為「暗」??梢源蟠笥绊戠R頭的明暗的要素之一,就是鏡頭的焦點距離和直徑的關(guān)系,也即 F 值,這個值較小的鏡頭稱為「亮鏡頭」,較大的鏡頭稱為「暗鏡頭」。一般的小型相機都會在鏡頭旁刻上「F = 2.5」「1:2.5」的標(biāo)記,這就表示 F 值為 2.5

在相機鏡頭的性能上,如果 F 值達到 2.0 左右,則表示這個相機的明亮等級非常高。

8,歪曲像差(失真)

歪曲像差(失真)表示通過鏡頭成像的圖像發(fā)生歪曲的狀態(tài)。事實上不存在形狀完美的鏡頭。因此,雖然從理論上來說,直射光通過鏡頭后會沿著直線傳播,而實際上光通過鏡頭后會向外側(cè)或者內(nèi)側(cè)歪曲。前者稱為「桶形失真」,后者稱為「枕形失真」。一個鏡失真的參數(shù)以百分比表示。

三,遠心鏡頭

大家都有這種印象,一個物體在人眼看來,會有近大遠小的現(xiàn)象。這是因為物體近的時候,在視網(wǎng)膜上投影大,小的時候,投影小。鏡頭也是一樣,因為近大遠小的原因,會產(chǎn)生誤差。特別是在做尺寸測量的時候,就尤其關(guān)鍵。

為了解決這個問題,就產(chǎn)生了遠心鏡頭。簡單講就是不會因為WD工作距離的遠近而在投影端產(chǎn)生大小變化的的鏡頭。

對于有厚度測產(chǎn)品,也會照出截面的效果。

遠心鏡頭主要應(yīng)用于精密測量。在精密光學(xué)測量系統(tǒng)中,由于普通光學(xué)鏡頭會存在一定的制約因素,如影像的變形、視角選擇而造成的誤差、不適當(dāng)光源干擾下造成邊界的不確定性等問題,進而影響測量的精度。而遠心鏡頭(Telecentric鏡頭)能有效降低甚至消除上述問題,因此Telecentric鏡頭已經(jīng)成為精密光學(xué)量測系統(tǒng)決定性的組件,其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。

遠心鏡頭和普通鏡頭的簡單對比如下:

普通鏡頭優(yōu)點:成本低,實用,用途廣。

普通鏡頭缺點:放大倍率會有變化,有視差。

普通鏡頭應(yīng)用:大物體成像。

遠心鏡頭的優(yōu)點:放大倍數(shù)恒定,不隨景深變化而變化,無視差。

遠心鏡頭的缺點:成本高,尺寸大,重量重。

遠心鏡頭的應(yīng)用:度量衡方面,基于CCD方面的測量,微晶學(xué)。

本文屬知識庫及科普性質(zhì),資料來源互聯(lián)網(wǎng),版權(quán)歸原作者所有

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