机器视觉：工业镜头的主要参数

news2024/11/25 10:51:31

工业镜头是图像采集系统的重要光学设备。它的作用是将目标物体的像成在相机的感光面上。

一、工业镜头原理

镜头是对光线进行调制和变换，使目标能够成像到相机的感光芯片上。将不同折射率的硝材加工成高精度的曲面，再把这些曲面进行组合后设计成能够满足不同视觉检测要求的镜头。

二、工业镜头的主要参数

选择视觉系统的镜头时，一般要关注这些参数：焦距、视野、工作距离、景深、相对孔径、光圈、畸变、接口这8个参数。

焦距 Focal Length:当平行光射入凸透镜的时候，理想状态下，镜头可以将所有的光线聚焦在一个点上，光线聚集在一起的点就是焦点，透镜中心到焦点的距离就是焦距。焦距决定了镜头能够拍摄的画面范围。

视野 Field of View, FOV:视野，也称视场角，是指图像采集系统可以覆盖的范围，也就是相机实际拍到的尺寸。视野与镜头的焦距相关，焦距越小（也就是成像面距离透镜中心越近），可拍摄的视野范围越大。相反，焦距越大（也就是成像面距离透镜中心越远），可拍摄的视野范围越小。

视野与焦距的关系如下图所示：

3、工作距离 Working Distance WD：工作距离是指目标物体到镜头的最小距离。安装硬件系统时，需要考虑安装高度是否在工作距离内，否则不能清晰成像。

4、景深 Depth of Field：是指目标物体在聚焦清晰以后，在焦点前后都能清晰成像的范围。景深还分为前景深和后景深。前景深是靠近镜头一端的焦点前的清晰范围，前景深小于后景深。景深的变化受光圈值，焦距、拍摄距离的影响。

5、相对孔径：相对孔径 $D_{r}$ 是镜头入射光孔径 $D$ ，与焦距 $f$ 的比值，通常会标注在镜头上。

6、光圈：光圈用于控制光线通过镜头进入相机感光面的装置。光圈值 $F$ , 通常用镜头焦距 $f$ ,和镜头入瞳的有效直径 $D_{in}$ 的比值表示，是相对孔径孔径 $D_{r}$ 的倒数。

$F=\frac{1}{D_{r}} = \frac{f}{D_{in}}$

7、畸变：现实中，由于镜头材质和制造工艺的局限，镜头的特性无法与理想的成像系统完全吻合，难免会产生一定的失真，这个失真就是畸变。畸变是指目标物体平面的反射光，本应是直线，但是经过成像系统后，变成曲线。畸变会影响目标物体成像的几何形状，不影响成像质量。畸变一般分为桶形畸变和枕形畸变。当检测精度要求较高时，需要进行畸变校正，畸变校正需要使用圆点矩阵标定板，并通过算法计算出畸变系数后进行图像校正。