工业相机镜头的基础知识

1、关于工业相机镜头的基础知识第1页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三2工业镜头的接口 物镜的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即F型、C型、CS型。F型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头；而当物镜的焦距约小于25mm时，因物镜的尺寸不大，便采用C型或CS型接口。第2页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三3工业镜头的接口C接口和CS接口的区别 C与CS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的位置）的距离不同，C型接口此距离为17.5mm., CS型接口此距离为12.5mm.。 C型镜头与C型摄像机，

2、CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用。C型镜头与CS型摄像机之间增加一个 5mm的C/CS转接环可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。第3页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三4视场(Field of view, 即FOV，也叫视野范围) ：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。（视场范围是选型中必须要了解的）工作距离(Working Distance,即WD):指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调？包括是否有安装空间等）分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情

3、况下，视野越小，分辨率越好。景深 (Depth of view，即DOF)：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力（需要了解客户对景深是否有特殊要求？）图 1: 镜头基本参数示意图工业镜头的基本参数第4页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三5工业镜头的其他参数 感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视场非常重要。镜头主要缩放比例 (PMAG) 由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸和视场，但PMAG却不属于基本参数。 焦距（f）焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度

4、量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。（需要记住的公式） f=工作距离/视野范围长边（或短边）X CCD长边（或短） 焦距大小的影响情况： 焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸变越大； 焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低；第5页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三6解析度表示一组物镜所能见到了2点的最小间隔 解像力mm中间可以看到黑白线的条数。单位（lp）/mm.0.61x 使用波长()/ NA=解析度()以上的计算方法理论上可以计算出解析度，但不包括失真。使用波长为550nm MTF（Modulati

5、on Transfer Function）成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度。第6页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三7 失真（distortion）：（衡量镜头性能的指标之一） 又称畸变，指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。光圈与F值 光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1。4，f2，f2。8 etc第7页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三8工业镜头各参数间相互影响关系光圈大小的影响

6、情况： 光圈越大，图像亮度越高；景深越小；分辨率越高；像场中央与边缘：一般像场中心较边缘分辨率高；像场中心较边缘光场照度高光波长度的影响：在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。第8页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三9用于计算主要缩放比例的公式如下：PMAG = 感光芯片尺寸 (mm) / 视场 (mm)图 2: 主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图光学放大倍数第9页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，

7、星期三10第10页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三11显示放大倍数显示放大倍率在显微中应用非常广泛，被测物体的显示放大倍率取决于三个因素：镜头光学倍率、工业相机感光芯片的尺寸（靶面大小）、显示器尺寸。显示放大倍率=镜头光学倍率显示器尺寸25.4/耙面对角线尺寸第11页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三12工业镜头的主要类别：分类方式按焦距划分：定焦和变焦 按光圈划分：固定光圈和可变光圈按接口划分：C接口、CS接口、F接口等按倍数划分：定倍镜头、连续变倍镜头机器视觉行业常用到的很重要的镜头主要包括FA镜头，远心镜头和工业显微镜 等第12页，共26页，

8、2022年，5月20日，23点36分，星期三13工业镜头的主要类别：常用摄像物镜主要参数有焦距f 光圈数F和视场2. 经验公式：1/F *tanf=CF型接口类型摄像物镜焦距表（mm）C,CS型接口类型摄像物镜焦距表(mm)类型鱼眼型超广角型广角型标准型焦距7.5,1517,2024,28,3550类型1/31/3 ,1/2 2/3 ,1 焦距2.8-3.53.5-68-75常用摄像物镜参数第13页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三14接圈 简单的近摄物镜是在照相镜头和CCD相机之间加入一个接圈，见图1.118 ，由此，CCD的敏感面可以位于照相镜头的像方焦面的外面一段距

9、离，从而可以摄取到较近距离目标的像，但它受到图像清晰度的限制。工业镜头的主要类别：近摄物镜近摄物镜第14页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三15近摄透镜 在摄像物镜前端拧上一个近摄透镜，可以摄取到更近距离目标的像。采用近摄镜后，目标像的畸变增大了，为此，近摄透镜的屈光率不能太大，使原工作距离的缩短量一般不超过20。工业镜头的主要类别：近摄物镜近摄物镜第15页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三16与近摄物镜相反，为了对远距离目标摄取到清晰图像，要采用远摄物镜。这种物镜是一长焦距物镜。远摄物镜可以是折射系统、反射系统或折反射系统。反射式远摄物镜常采用卡塞

10、格林式远摄物镜.折反式远摄物镜由于采用前部校正透镜，其成像质量更加良好.工业镜头的主要类别：远摄物镜远摄物镜第16页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三17远心镜头特性 物方远心镜头可以消除透视畸变，像方远心镜头可以获得更好的像面照度的均匀性。第17页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三18物方远心物镜采用平行光路设计，物方远心物镜是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上。工业镜头的主要类别：远心镜头远心镜头第18页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三19像方远心光路像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物 方焦平面上，而像方的主光

11、线平行于光轴。工业镜头的主要类别：远心物镜远心物镜第19页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三20在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样亲会产生测量误差。采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。工业镜头的主要类别：远心物镜远心物镜第20页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三21远距物镜是一种焦距很长而镜筒较短的物镜，从物镜前表面到像平面的距离小于焦距，这对

12、于长焦距物镜来说，有利于缩短物镜的轴向尺寸。按照上述原理构成的远距物镜，结构型式是各种各样的，尤其是前组，由于负担较大的光焦度，结构一般要比后组复杂。工业镜头的主要类别：远距物镜远距物镜第21页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三22反远镜是一种焦距较短而后截距很长的物镜，这样，在物镜和CCD之间可以加入分光镜，以实现取景等作用。工业镜头的主要类别：反远距物镜反远距物镜第22页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三23畸变物镜能够在它的像中预先引入规定的畸变。当物镜存在很大的负畸变时，实际上能够拍摄角视场超过180的物空间。这种物镜用于宇航研究、气像测量中

13、。吉柳在1930年首先成功地实现了角视场180o和相对孔径1：22的畸变物镜（图1.130b）。畸变物镜可以按照反远距物镜的光路图作出。第一组由一或二个透镜组成，并造成很大的畸变（图c、d）。第二透镜组用于校正像差，以便获得清晰的像。为了研制超广角物镜，像场角余弦四次方的影响是最大的障碍。但是由于负的畸变，在像场边缘上光束深缩，因而在像场边缘上实际光学密度并不比视场中心低。工业镜头的主要类别：畸变物镜畸变物镜第23页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三24常用镜头图片定倍远心镜头Navitar zoom6000连续变倍镜头组件Navitar zoom6000连续变倍镜头定焦镜头第24页，共26页，2022年，5月20日，23点36分，星期三25工业镜头的选择要点1、视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头，以有利于运动控制。2、景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选择高景深的