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机器视觉光学镜头选型及分类

光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头,简称镜头,其功能就是光学成像。

    镜头是机器视觉系统中的重要组件,对成像质量起着关键性的作用,同时对成像质量的几个主要指标都有影响,如分辨率、对比度、景深及各种像差等。镜头不仅种类繁多,而且质量差异也很大,正确合理的选择镜头将决定系统能否得到理想的图像,甚至决定系统开发失败。下面简单介绍镜头选型时应该注意的相关问题及镜头的分类:

1、根据有效像场的大小选择镜头

    将镜头安装在一个很大的伸缩暗箱前端,并在该暗箱后端安装一块很大的磨砂玻璃。当将镜头光圈开至最大,并对准无限远景物调焦时,在磨砂玻璃上呈现出的影像均位于一个圆形面积内,而圆形外则漆黑,无影像。此有影像的圆形面积称为该镜头的最大像场。在这个最大像场范围的中心部位,有一个能使无限远处的景物结成清晰影像的区域,这个区域称为清晰像场。照相机或摄影机的靶面一般都位于清晰像场之内,这一限定范围称为有效像场。由于视觉系统中所用的摄像机的靶面尺寸有各种型号,所以在选择镜头时一定要注意镜头的有效像场应该大于或等于摄像机的靶面尺寸,否则成像的边角部分会模糊甚至没有影像。  

2、根据焦距镜头的分类  

    根据焦距能否调节,可将镜头分为定焦距镜头和变焦距镜头两大类。变焦镜头上都有变焦环,调节该环可以使镜头的焦距值在预定范围内灵活改变。变焦距镜头最长焦距值和最短焦距值的比值称为该镜头的变焦倍率。变焦镜头又可分为手动变焦和电动变焦两大类。             

    变焦镜头由于具有可连续改变焦距值的特点,在需要经常改变摄影视场的情况下使用非常方便,所以在摄影领域应用非常广泛。但由于变焦距镜头的透镜片数多、结构复杂,所以最大相对孔径不能做得太大,致使图像亮度较低、图像质量变差,同时在设计中也很难针对各种焦距、各种调焦距离做像差校正,所以其成像质量无法和同档次的定焦距镜头相比。如何选择合适焦距的镜头是在机器视觉系统设计时要考虑的一个主要问题。

3、根据镜头接口类型划分 

    镜头和摄像机之间的接口有多种类型,工业相机常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口等。

    镜头接口类型的与镜头性能及质量并无直接关系,只是接口方式的不同,一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。  

    C接口和CS接口是工业摄像机最常见的国际标准接口,为1英寸-32UN英制螺纹连接口,C型接口和CS型接口的螺纹连接是一样的,区别在于C型接口的后截距为17.5mm,CS型接口的后截距为12.5mm。所以CS型接口的摄像机可以和C口及CS口的镜头连接使用,只是使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈;C型接口的摄像机不能用CS口的镜头。      

4、特殊用途的镜头

    显微镜头(Micro),一般是都在成像比例大于10:1的拍摄系统使用,但由于现在的摄像机的像元尺寸已经做到3微米以内,所以一般成像比例大于2:1时也会选用显微镜头。

    微距镜头(Macro),一般是指成像比例为2:1~1:4的范围内的特殊设计的镜头。在对图像质量要求不是很高的情况下,一般可采用在镜头和摄像机之间加近摄接圈的方式或在镜头前加近拍镜的方式达到放大成像的效果。

    远心镜头(Telecentric),主要是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头,它可以在一定的物距范围内,使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化,这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。