机器视觉光学基础概念系列

1、机器视觉光学基础概念系列之一一景深、工作距离、物像距离景深通俗而言，景深即在镜头架设好后，与被测物体间相对距离不做任何调节的情况下， 可接受的能清晰成像的物方空间范围。在机器视觉中，相机芯片为光学系统的像平面，物方与像平面共轭的平面称为对准平 面。严格的来讲除对准平面上的点能成点像外，其他空间点在像平面上成像为弥散斑。但 由于芯片的分辨率是有限的，因此当弥散斑小于一定限度时，仍可认为是一个像点，即成 像清晰。因此景深定义为：能在像平面上获得清晰像的物方空间深度范围称为景深。能 成清晰像的最远的物平面称为远景平面，它与对准平面的距离称为远景深度； 能成清晰像的最近的物平面称为近景平面，它与对准平

2、面的距离称为近景深度2；景深=远景深度+近景深度。如下图所示：对推平面像平面入瞳出瞳对推平面像平面入瞳出瞳景深可由下式计算：赤散斑直径X有效F.最源=2放大借率随着近年相机芯片像元尺寸的减小，弥散斑取0.04mm已远大于芯片的分辨能力。而 且严格而言，不同像元尺寸的相机，由于允许的弥散斑大小不同，同一个镜头的景深也有 差异。但是习惯性的，机器视觉行业各镜头厂商仍以弥散斑直径=0.04mm来计算景深。因 此有经验的工程师会发现镜头实际测试出的景深值 目录上标示出的景深理论值。由上式可以看出，景深跟镜头有效Fno.成正比。因此对于光阑可调的镜头，当 Fno.为1.4,即光阑开口最大时，景深最小。当

3、减小Fno.为8，即光阑开口调小 时，景深增大。如下图所示另外，由上式还可看出，当镜头Fno.相同时，镜头放大倍率越小，景深越大。工作距离及物像距离工作距离(WD)是指镜头最下端机械面到物体的距离。物像距离(O/I)是指物平面到相机芯片间的距离。物像距离=工作距离+镜头本体长度+法兰距。其中对于常见的C 口镜头和相机，法兰距为17.526mm。勘墟跆南在机器视觉行业中，许多镜头设计时为了保证成像质量，工作距离通常为一个固定值或一个较窄的范围。如远心镜头，作为行业标准的工作距离是40mm、65mm、 110mm。因此在实际项目中，我们建议进行设备机械设计前应先考虑视觉系统，使镜头工作距离的 选择

4、不受机械空间的限制，从而在保证最佳的光学性能的同时降低成本。否则可能因为一 个特殊的工作距离要求，导致选型十分困难，不得不定制镜头。在线阵项目中，由于各相机厂商定义的法兰距不同(如同样是M72*0.75接口，法兰距可 能为6.56mm, 9.4mm, 12mm, 19.55mm等)，且线阵镜头通常需搭配很长的转接环，此 时物像距离对于选型而言变得更有意义。因此作为专业的机器视觉从业者，我们与客户沟 通时，需要正确判断客户所描述的空间是指工作距离还是物像距离。茉丽特线扫镜头，会 同时标明WD和O/I，方便客户选择。镜头像圈像圈(image circle)是指入射光线通过镜头后，在焦平面上呈现出的

5、圆形的明亮清晰的 影像幅面，也称像面大小。镜头像圈由镜头光学结构决定，一旦设计完成，其对应的像圈 就确定了。在机器视觉中，由于感光器件为相机芯片，芯片尺寸即为成像靶面大小。由于镜头像圈为 圆形，相机靶面为长方形，因此镜头与相机搭配时，必须使镜头的像圈直径巳相机靶面的 对角线长度（如右图所示）。否则，相机靶面的四角会形成暗区（如左图所示）从而影响 成像质量，这种现象称为渐晕。如CMOSIS CMV2000芯片，对角线长度为12.8mm.若镜头的像圈为中11mm（厂家或表述为: 镜头最大兼容芯片尺寸为2/3）,那此款镜头搭配使用该芯片的相机时，就会出现渐晕。CMOSIS CMV2000t2.8mr

6、TL5.9-8 mm11.26mm如茉丽特ML-MCHR系列镜头像圈为12.8mm,此说明此款镜头可匹配包含CMV2000, 2/3、1/2、1/1.8、1/2.5、1/3等芯片的相机。习惯性的，当为4/3 以下面阵相机设计的镜头时，通常表述为“最大兼容的相机靶面”， 如MML1-HR65最大兼容相机靶面2/3。当为更大靶面的面阵相机或线阵相机设计的镜头 时，通常直接给出镜头的像圈，如ML-F80C-0205,镜头像圈为中82mm.放大倍率机器视觉行业里提到的镜头光学放大倍率通常是指垂轴放大倍率，即像和物的大小之比，计算方法如下:FI FObjeci y *r可见，光学放大倍率和所选相机芯片及

7、所需视场相关。相机芯片如：已知相机芯片为2/3英寸（8.8mm*6.6mm）,可见，光学放大倍率和所选相机芯片及所需视场相关。相机芯片视场长宽为：10mm* 8mm 。如用长边计算，放大倍率=8.8mm/10mm=0.88x ；如用短边计算，放大倍率=6.6mm/8mm=0.825x ；此时应取小的倍率0.825x作为待选镜头的光学放大倍率。否则，短边视场将不能满足要 求。（若取 0.88 倍，则短边视场=6.6mm/0.88x=7.5mm8mm）。在实际工程项目中，通常无需长短边都计算。经验的方法是：若视场接近于正方形或圆 形，则取短边计算；若视场为长条形，则取长边计算。另外，您还可能听到过电子放大倍率和显示器放大倍率两个名词。他们与光学放大倍率相 关却不相同，但三者常被混淆，故在此说明。电子放大倍率是指当相机上的图片显示在屏幕上时的图像放大倍数。如相机芯片是1/2英 寸（对角线为8mm ），显示屏是14英寸，则电子放大倍率=14*25.4mm/ 8m