相機與鏡頭常識

1.焦距(FocalLength)  

焦距是從鏡頭的中心點到膠平面上所形成的清晰影像之間的距離。焦距的大小決定著視角的大小,焦距數值小,視角大,所觀察的范圍也大;焦距數值大,視角小,觀察范圍小。根據焦距能否調節,可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類。  

2.光圈(Iris)  

用F表示,以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來衡量。每個鏡頭上都標有最大F值,例如 8mm /F1.4代表最大孔徑為 5.7毫米 。F值越小,光圈越大,F值越大,光圈越小。  

3.對應最大CCD尺寸(SensorSize)  

鏡頭成像直徑可覆蓋的最大CCD芯片尺寸。主要有:1/2″、2/3″、1″和1″以上。  

4.接口(Mount)  

鏡頭與相機的連接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。  

5.景深(Depth ofField,DOF)  

景深是指在被攝物體聚焦清楚后,在物體前后一定距離內,其影像仍然清晰的范圍。景深隨鏡頭的光圈值、焦距、拍攝距離而變化。光圈越大,景深越小;光圈越小、景深越大。焦距越長,景深越小;焦距越短,景深越大。距離拍攝體越近時,景深越小;距離拍攝體越遠時,景深越大。(記住控制單一變量,如果物距與焦距一起變總體上景深是變大的,因為物距的增速大于焦距的減速)  

6.分辨率(Resolution)  

分辨率代表鏡頭記錄物體細節的能力,以每毫米里面能夠分辨黑白對線的數量為計量單位:“線對/毫米”(lp/mm)。分辨率越高的鏡頭成像越清晰。  

7、工作距離(Workingdistance,WD)  

鏡頭第一個工作面到被測物體的距離。  

8、視野范圍(Field ofView,FOV)   

相機實際拍到區域的尺寸。  

9、光學放大倍數(Magnification,?)   //這個一般對于遠心鏡頭比較重要,就是相機當作顯微鏡時,其放大倍數越大越好。

CCD/FOV,即芯片尺寸除以視野范圍。  

10、數值孔徑(Numerical Aperture,NA)   

數值孔徑等于由物體與物鏡間媒質的折射率n與物鏡孔徑角的一半(a\2)的正弦值的乘積,計算公式為N.A=n*sina/2。數值孔徑與其它光學參數有著密切的關系,它與分辨率成正比,與放大率成正比。也就是說數值孔徑,直接決定了鏡頭分辨率,數值孔徑越大,分辨率越高,否則反之。  

11、后背焦(Flangedistance)   

準確來說,后倍焦是相機的一個參數,指相機接口平面到芯片的距離。但在線掃描鏡頭或者大面陣相機的鏡頭選型時,后倍焦是一個非常重要的參數,因為它直接影響鏡頭的配置。不同廠家的相機,哪怕接口一樣也可能有不同的后倍焦。  

二、鏡頭選型  

1.選擇鏡頭接口和最大CCD尺寸  

鏡頭接口只要可跟相機接口匹配安裝或可通過外加轉換口匹配安裝就可以了,其一般的接口是C口跟CS口,這兩者主要的區別是圖像傳感器與鏡頭之間的距離不同這兩者類型的接口沒有細分的,其C口的大小全都都一樣,;鏡頭可支持的最大CCD尺寸應大于等于選配相機CCD芯片尺寸。

1.

CS-mount: 圖像傳感器到鏡頭之間的距離應為12.5 mm

?

C-mount: 圖像傳感器到鏡頭之間的距離應為17.5 mm。一個5 mm的墊圈(C/CS連接環)可用于將C-mount鏡頭轉換為CS-mount鏡頭

C口螺紋和CS口螺紋是一樣的口徑一英寸,in32牙的螺紋,他們的不同在于焦距,C口焦距17.5mm????CS口為12.5mm

  

? ? ? ? 其實這不是一個硬性條件,只是這樣子出來的圖片有的地方因為爆不了光而變成黑色。所以選匹配的工業鏡頭主要三個條件:

? ? ? ? ?a、根據博客下面的焦距計算公式,計算得到適合實驗環境的焦距。

? ? ? ? b、為了充分利用相機的像元,應當選擇鏡頭尺寸大于或等于相機成像面的尺寸。

c、對于高精度的工業計算,第三點就很重要,就是要選擇大于或等于相機分辨率(其實跟像元尺寸大小有關的,不是像素數)的鏡頭,這個就是鏡頭的解析力,一般在買鏡頭的時候有說明鏡頭是多少分辨率的。?如果對于不是高精度的視覺項目,則選擇的鏡頭分辨率可以比相機分辨率低也可以。相機分辨率越高其價格越貴,適中即可。

? ? ? ? ? ? 注意:上面的a中的計算公式只適合工業鏡頭的選型,因為其符合小孔成像原理,不用考慮其光學倍率,因為相同焦距、像面尺寸的工業鏡頭其在固定距離的光學倍率都是一樣的;如果是那種廣角、魚鷹類的鏡頭則要通過另一種方式選,就是鏡頭的“光學倍率”,就是CCD/FOV,因為它們不符合嚴格的小孔成像原理,而是有更大的屈光率。

?

? ? ? ? 鏡頭的好壞之分特性:畸變,一般好的鏡頭畸變特別小,不過多好的鏡頭,只要相機的分辨率特別大,在圖像外框還是會有畸變存在。所以畸變率也是衡量鏡頭好壞的一個特性,對畸變比較敏感的工程,應當特別注意這點。分辨率,一般相機跟鏡頭分辨率選型要匹配。下面是一些鏡頭分辨率的知識點:? ?

? ? ? ?一般在對相機與鏡頭選型時,在分辨率匹配方面,為了方便記憶鏡頭與相機的匹配關系,人們常采用對應相機的分辨率來命名鏡頭。這種命名方式其實并不科學,同時給新接觸視覺系統的人帶來了很多誤解,經常會機械的套用百萬像素分辨率相機對應百萬像素鏡頭,二百萬像素分辨率相機對應二百萬像素鏡頭,而五百萬像素分辨率相機則對應五百萬像素鏡頭。其實鏡頭與相機對應的并不是相機自身的像素分辨率(像素數),而是各自的極限空間分辨率(即傳遞函數MTF對應的空間截止頻率)。
? ? ? ? 按目前公開的性能指標,百萬像素的鏡頭對應的極限空間分辨率為90線對/mm,兩百萬像素的鏡頭對應的極限空間分辨率為110線對/mm,五百萬像素的鏡頭對應的極限空間分辨率為160線對/mm。按照相機鏡頭的匹配原則,鏡頭的極限分辨率需大于或等于相機的極限分辨率,那么百萬像素鏡頭配合的相機的極限分辨率必須小于90線對/mm,兩百萬像素鏡頭和五百萬像素鏡頭所配相機的原理相同。
那么怎樣知道相機的極限空間分辨率呢?相機的極限空間分辨率不是由相機自身的分辨率決定,而是由相機芯片的單個像元尺寸決定。具體計算公式如下:
1/(單個像元尺寸*2),單位:線對/mm
例如,我們常用的AVT GUPPY Pro系列的F125B相機,其為130萬,1/3寸CCD,其單個的像元尺寸為3.75um*3.75um.一般相機像素分辨率越大則其像元尺寸越小。則此相機極限空間分辨率為:
1mm/(3.75um*2)=133.33線對/mm
由鏡頭的極限空間分辨率大于相機的極限空間分辨率可知,選擇五百萬像素的鏡頭較合適。

一個鏡頭介紹的內容:

2.選擇鏡頭焦距

如圖所示,在已知相機CCD尺寸、工作距離(WD)和視野(FOV)的情況下,可以計算出所需鏡頭的焦距(f)。  

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 ? 

3.選擇鏡頭光圈  

鏡頭的光圈大小決定圖像的亮度,在拍攝高速運動物體、曝光時間很短的應用中,應該選用大光圈鏡頭,以提高圖像亮度。  

4.選擇遠心鏡頭  

遠心鏡頭是為糾正傳統鏡頭的視差而特殊設計的鏡頭,它可以在一定的物距范圍內,使得到的圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化。遠心鏡頭與傳統鏡頭對比,如圖:  


 

?

?

遠心鏡頭又分為物方遠心和雙側遠心兩種,如圖:

?

?

1.???????選擇光源的角度  

根據期望的圖像效果,選擇不同入射角度的光源。高角度照射,圖像整體較亮,適合表面不反光物體;低角度照射,圖像背景為黑,特征為白,可以突出被測物輪廓及表面凹凸變化;多角度照射,圖像整體效果較柔和,適合曲面物體檢測;背光照射,圖像效果為黑白分明的被測物輪廓,常用于尺寸測量;同軸光照射,圖像效果為明亮背景上的黑色特征,用于反光厲害的平面物體檢測。不同角度光源的示意圖如下:??


?

1.???????選擇光源的顏色  

考慮光源顏色和背景顏色,使用與被測物同色系的光會使圖像變亮(如:紅光使紅色物體更亮);使用與被測物相反色系的光會使圖像變暗(如:紅光使藍色物體更暗)。  



?

不同顏色光源效果示例:

?

?彩色圖?紅光效果?綠光效果?藍光效果
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?

 
?

波長越長,穿透能力越強;波長越短,擴散能力越強。紅外的穿透能力強,適合檢測透光性差的物體,如棕色口服液雜質檢測。紫外對表面的細微特征敏感,適合檢測對比不夠明顯的地方,如食用油瓶上的文字檢測。???  

??????  

1.???????選擇光源的形狀和尺寸  

主要分為圓形、方形和條形。通常情況下選用與被測物體形狀相同的光源,最終光源形狀以測試效果為準。光源的尺寸選擇,要求保障整個視野內光線均勻,略大于視野為佳。?????????????????????????????  

?????????????????????  

2.???????選擇是否用漫射光源  

如被測物體表面反光,最好選用漫反射光源。多角度的漫射照明使得被測物表面整體亮度均勻,圖像背景柔和,檢測特征不受背景干擾

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