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深度解析工业镜头核心参数

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  • 发布时间:2021-05-24 10:30
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【概要描述】深度解析工业镜头核心参数

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深度解析工业镜头核心参数

美国国家航空航天局NASA宣布在火星上发现了液态水引起了不小的震动,我们在惊叹前沿的航天技术时,不免也会惊叹于其中的影像资料,这就和本文的内容有些关系了。其实不管是民用摄影、光谱成像还是机器视觉,镜头都在其中承担了极其关键的作用。本文重点用普通人都能理解的白话文讲述工业镜头中的一些核心参数,当然其原理也通用于其他领域。

工业镜头的成像原理和我们常用的单反相机、数码相机、手机摄像模组等光学成像装置一样,都是凸透镜小孔成像。其不同之处,主要在于镜头接口和应用场合不同。本文将分别针对镜头的物理接口、光学尺寸、焦距倍率、畸变、清晰度以及民用镜头中涉及到的光学防抖、数字/光学变倍、自动对焦等概念进行详述。

一、镜头的物理接口

     其实镜头的物理接口是非常简单的参数,说白了就是镜头和相机连接的物理接口方式。工业镜头常用接口形式有:C口、CS口、F口等,其中C/CS是专门用于工业领域的国际标准接口,镜头选择什么接口以相机的物理接口为准。如下图所示:

二、光学尺寸

镜头光学尺寸指的是镜头最大能兼容多大CCD芯片尺寸,相机之所以能成像是因为镜头把物体反射的光线打到了CCD芯片上面。直白点说就是镜头的镜片直径(严格的说叫设计相面尺寸)要大于CCD芯片尺寸。一般常见镜头的相面尺寸有1/3英寸、1/2英寸、2/3英寸、1英寸等,其中1/3英寸和1/2英寸常用于监控行业,成本较低,分辨力也较低。下图是各种相面尺寸对应的实际尺寸。镜头光学尺寸选择的依据是镜头相面尺寸大于等于CCD尺寸即可。

三、工业镜头焦距/倍率

工业镜头经常提到的一个参数就是焦距了,也有叫视场角的。焦距是衡量镜头功能的最基本参数,但并不是所有镜头都是用焦距来描述的。镜头从视场角来分,可以分为三类:普通镜头、远心镜头、显微放大镜头,其中只有普通镜头是用焦距来描述,其他的都是用倍率来描述的,下图展示了三类镜头对应的视场角/焦距情况。

远心镜头和显微镜头的使用相对简单,基本都是在不同的工作距离下,显示不同的倍率。但是对于普通镜头来说,还涉及到聚焦和变焦两个概念,下图展示的就是“变焦”和“聚焦”的不同。

四、工业镜头的畸变

“畸变”就是镜头的变形或失真,这个概念在民用领域几乎很少提及,因为人眼对图像变形的识别精度很低。而在工业领域,尤其是基于视觉技术的测量应用,对镜头畸变这个参数要求的极高。首先我们先了解什么是镜头“畸变”,由下图可知畸变其实是因为拍照环境的原因导致镜头给出了“错误”的图像,畸变产生的原因主要是凸透镜成像原理造成的,畸变时无法完全消除的,只能不断改善。

一般情况下,改善畸变有2种办法:一种是通过软件算法把镜头的畸变系数(也就是该镜头在当前距离下拍照时的变形特点)计算出来,一般常用的图像处理平台都包含有标定模块,像OpenCV、Halcon、CCAS等;另一种就是通过光路设计,从镜头硬件本身消除畸变的影响,上文中提到的“BTOS双远心镜头”就是一种非常典型的“零畸变”镜头。

五、清晰度

工业镜头的清晰度,严格意义上应该叫做解像力或分辨力(注意不是分辨率),所描述的是镜头分辨细节的能力。具体是指在成像平面上1毫米间距内能分辨开的黑白相间的线条对数,单位是“线对/毫米”(lp/mm,line-pairs/mm)。

工业镜头对黑白等宽的测试线对图并不是无限可分辨的。当黑白等宽的测试线对密度不高的时候,成像平面处黑白线条是很清晰的。当黑白等宽的测试线对密度提高时,在成像平面处还是可以分辨出黑白线条,但是白线已不是那么白了,黑线也不是那么黑了,白线黑线的对比度就会下降。当黑白等宽的测试线对密度提高到某一程度,在成像平面处黑白线的对比度非常小,黑白线条都变成了灰的中间色了,这就到了工业镜头分辨的极限。如下图所示:

工业镜头分辨力

 

另一种客观的镜头分辨力描述方法就是MTF曲线,要想把MTF曲线图理解的很充分,需要花费较多的时间和精力,本文尽可能的尝试以一种简单的话术把这件事情解释清楚。下图是对MTF调制传递函数的简单说明。

MTF调制传递函数说明

 

那么作为系统集成商或镜头的直接使用人来说,我们没有必要像工业镜头研发人员一样去把这个概念了解的那么彻底,我们只需要能看明白市面上厂商公布的各自工业镜头参数即可。比如说:百万像素工业镜头、五百万像素工业镜头等,这说的其实是镜头最大可以兼容多大分辨率的工业相机,这个参数是厂家根据自己镜头MTF曲线的结果,大致推荐该镜头该配多少分辨率的工业相机。一般情况下,如果普通的视觉检测项目,可以配普通镜头,如果是高精密微米级检测,那么必须采用专业双远心镜头。

以上就是工业镜头选型时必须重点考虑的几个参数,但是对于一些还接触过单反相机、数码相机的人来说,还经常听到两个概念:光学防抖和数字/光学变焦,下面逐一解释下。

  • 光学防抖:光学防抖是通过物理减震装置使得手持相机拍照时,不会因为人手的抖动而产生“散焦”现象,这是民用相机才会用到的东西,在工业镜头中是绝对不会采用这种技术的。

  • 光学/数字变焦:光学变焦指的是利用电机驱动或手动的方式改变镜头的焦距,就是上文中讲过的镜头变焦。一般我们的单反相机或数码相机在拍摄远处景物时,镜头会伸长,这就是光学变焦。数字变焦主要在手机模组上用的多,因为手机摄像头体积很小,无法做很大的光学变焦镜头。所以手机摄像头在拍摄远景时,其实是对局部图像进行数字放大,再采用像素插值的方式让图像变得清晰。所以光学变焦是真正的获取到了远处景物的更多信息,而数字变焦在图像放大后并没有获取更多图像信息。工业检测中用的镜头全部都是光学变焦或变倍。

机器视觉是一个横跨很多专业的综合性行业,在立项时需要根据实际需求考虑很多问题,本文仅谈一些关于工业镜头的核心参数。

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