机器视觉之镜头

镜头

镜头作用


镜头等同于针孔成像中针孔的作用,所不同的是,一方面镜头的透光孔径比针孔大很多倍,能在同等时间内接纳更多的光线,使相机能在很短时间内(毫秒到秒级)获得适当的曝光;另一方面,镜头能够聚集光束,可以在相机胶片上产生比针孔成像效果更为清晰的影像

镜头参数

焦距

计算公式为  




f = 工作距离wd * 靶面长边(或短边)/视野长边(或短边)

f = wd/(1 + 1/b )

b(放大倍率) = 靶面长边(或短边)/视野长边(或短边)  

光圈


光圈(英语:Aperture),是照相机上用来控制镜头孔径大小的部件,以控制景深、镜头成像质素、以及和快门协同控制进光量。有时也表示光圈值的概念。表达光圈大小用f值表示,对于已经制造好的镜头,不能随意改变镜头的直径,但是可以通过在镜头内部加入多边形或者圆型,并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量,这个装置就叫做光圈,光圈f值=镜头的焦距/光圈口径。

光圈系数f越小表示光圈越大,通光量越大  

尺寸


对应的是相机的靶面的最大尺寸,镜头的尺寸选择要大于等于相机靶面的尺寸,太大会浪费分辨率,小于则成像会出现黑边

接口


c、cs、f、口。cs口的相机可以接c口的镜头,要加5mm接圈

景深


景深(Depth of field, DOF)景深是指相机对焦点前后相对清晰的成像范围。

光圈、镜头、及拍摄物的距离是影响景深的重要因素:  
  • 1、光圈越大(光圈值f越小)景深越- 浅,光圈越小(光圈值f越大)景深越深。
  • 2、镜头焦距越长景深越浅、反之景深越深。
  • 3、主体越近,景深越浅,主体越远,景深越深。

分辨率


选型时镜头分辨率大于相机分辨率

工作距离(物距)


拍摄物体到镜头的距离

放大倍率


计算公式

b = 靶面长边(或短边)/视野长边(或短边)  

镜头分类

根据有效像场的大小分类

电视摄像镜头

电影摄像镜头

照相机镜头

根据焦距分类

定焦距工业镜头

鱼眼镜头
短焦镜头
标准镜头
长焦镜头

变焦工业镜头

手动变焦
电动变焦

根据工业镜头接口类型划分

C口

CS口

F口

V口

特殊场景

显微镜头(Micro)


一般是指成像比例大于10:1的拍摄系统所用,但由于现在的工业相机的像素尺寸已经做到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工业相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。

镜头选型

1、接口和对应相机的靶面尺寸

2、焦距


根据工作距离、靶面尺寸、视野计算焦距

3、光圈


拍摄速度快的选择大光圈,景深要求高的选择小光圈

4、远心镜头


视野小、光路要求直上直下

镜头接口


物镜的接口有三种国际标准:F接口、C接口和CS接口。F接口是通用型接口,一般适用于焦距大于25mm的镜头,当物镜的焦距小于25mm时,物镜的尺寸不大,一般采用C型或CS型接口。

C接口镜头可以与C接口摄像机、CS接口摄像机互用; 

CS接口镜头不可以应用在C接口摄像机,只可以应用在CS接口摄像机。

C接口和CS接口是工业工业相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型接口的工业相机可以和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型接口的工业相机不能用CS口的镜头。  

C口


C型接口的后截距为17.5mm

CS口


CS型接口的后截距为12.5mm。

F口


F接口镜头是尼康镜头的接口标准,所以又称尼康口,也是工业工业相机中常用的类型,一般工业相机靶面大于1英寸时需用F口的镜头。

V口


V接口镜头是著名的专业镜头品牌施奈德镜头所主要使用的标准,一般也用于工业相机靶面较大或特殊用途的镜头。

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