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工业镜头专业术语详解

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  机器视觉系统中,工业镜头相当于人的眼睛,其主要作用是将目标的光学图像聚焦在图像传感器(相机) 的光敏面阵上。视觉系统处理的所有图像信息均通过工业镜头得到,工业镜头的质量直接影响到视觉系统 的整体性能。下面对机器视觉工业镜头的相关专业术语做以详解。 一、远心光学系统: 指主光线平行于工业镜头光学轴的光学系统。而光从物体朝向镜头发出,与光学轴保持平行,甚至在 轴外同样如此,则称为物体侧远心光学系统。 二、远心镜头: 远心镜头指主光线与镜头光源平行的工业镜头。有物方远心,像方远心,双侧远心。 普通工业镜头 主光线与镜头光轴有角度,因此工件上下移动时,像的大小有变化。 双侧远心境头 主物方,像方均为主光线与光轴平行 光圈可变,可以得到高的景深,比物方远心境头更能得到稳定的像 最适合于测量用图像处理光学系统,但是大型化成本高 物方远心境头 只是物方主光线与镜头主轴平行 工件上下变化,图像的大小基本不会变化 使用同轴落射照明时的必要条件,小型化亦可对应 像方远心境头 只是像方主光线与镜头光轴平行 相机侧即使有安装个体差,也可以吸收摄影倍率的变化 用于色偏移补偿,摄像机本应都采用这种镜头 三、远心光学系统的特色: 优点:更小的尺寸。减少镜头数量,可降低成本。 缺点:上下移动物体表面时,会改变物体尺寸或位置。 优点:上下移动物体表面时,不会改变物体尺寸或位置。使用同轴照明时。可使用更小的尺寸 缺点:未使用同轴照明时,大于标准镜头的尺寸 四、远心: 远心度是指物体的倍率误差。倍率误差越小,远心度越高。远心度有各种不同的用途,在镜头使用前, 把握远心度很重要。远心镜头的主光线与镜头的光轴平行,远心度不好,远心镜头的使用效果就不好;远 心度可以用下图进行简单的确认。 五、分辨率(μ m) : 光学系能力的尺度, 表示黑白格状图案通过镜头观察时, 1mm 中可以分辨观察到黑白条纹的最多对数。 分辨率为两点间在无法识别前,能靠近的最近距离测量值,例如1μ m 的分辨率代表两点间在无法识别前, 能靠近的最近距离为1μ m。以下为根据镜头的无相差光衍射情况计算理论分辨率的公式。 六、分辨力(Lines/mm): 分辩力指黑白网线mm 面积,可识别的黑白两色条纹数。分辨力的单位为线线条/mm 代表可识别黑白间距1/100mm(10μ m)。黑白线μ m)。 七、水平 TV 分辨率(TV 线条) : 宽度里的黑白水平线总条数,相当于电视机屏幕垂直高度的高度值。屏幕的垂直与水平长度比率通常 为3:4,因此水平宽度里的总条数为3/4。电视机水平分辨率为240TV 条线,电视机屏幕水平宽度的总条数 为320条线。测量镜头的分辨率时,一组黑色与白色线条应视为一条线,但是在电视机分辨率线TV 线条。 八、失真(%) : 失真为光学轴外的直型物体,呈现曲线时的镜头像差。镜头失真也称为镜头畸变,即光学透镜固有的 透 视 失 真 的 总 称 , 可 分 为 枕形 失 真 和 桶 形 失 真 , 直 线 朝向 中 心 的 失 真 情 况 为 枕 形 失真 (Pincushion Distortion) ,向外扩张的失真称为桶形失真(Barrel Distortion)。如下图示: 九、TV 失真(%) : TV 屏幕上的影像失真。数值越接近零,牲能越高。 十、电视失真: 实际边长的歪曲形状与理想的形状的百分比算出的值。 十一、孔径效率边际光量(%) : 孔径效率为使用镜头拍摄均匀亮度的物体时,成像盘光学轴与四周区域之间的亮度差异,单位为百分 比(%) ,假设中央亮度为100,为镜头的光学特征之一。 十二、遮蔽(%) : 遮蔽为使用镜头与 CCD-TV 镜头拍摄均匀亮度的物体时,电视机屏幕中央与边缘之间的亮度差异,单 位为百分比(%) 。通常使用受光组件与 CCD 组件的功率比计算此百分比。遮蔽意指镜头与 TV 镜头的整 体表现,可使用远心光学系统以缩小遮蔽的情况。 十三、色差: 在镜头光学统中,形成影像的位置与影像放大倍率随光线波长的不同而不同。不同波长的光线有不同 的颜色,这叫做色彩失真。光学轴上的失真叫做色彩失真。放大倍率的差异则叫做放大倍率色彩失真。 十四、工作距离(WD) (mm) : 工作距离指镜头第一个工作面到被测物体的距离。 十五、物像间距离 O/I(Object to Imager) OI 指物体到结像平面的距离。 十六、焦距 f(mm)后焦距/前焦距 焦距为光学系统的主光点到焦点的距离。从最后一片镜头的顶点到 后焦点的距离,为后焦距。从第一片镜头的顶点到前焦点的距离,为前 焦距。 十七、景深: 深度为与物体从最佳焦点前后移动时.出现最锐利焦点的最近点与最远点之间的距离。物体侧的深度 范围称为景深。 同样, 照相机侧的范围称为焦点深度。 具体的景深的值多少略有不同。 景深 (Depth of Field) 可以用以下的计算式计算出来: 景深 = 2 x Permissible COC x 实效 F / 光学倍率2 = 允许误差值 / (NA x 光学倍率)(使用的是 0.04mm 的 Permissible COC) 通过镜头的影像理论土会形成点状。清晰影像上出现可接受的摸糊情况,称为可接受的弥散圆。 十八、焦深: 深度为当 CCD 从最佳焦点前后移动时,出现最锐利焦点的最近点与最远点之间的距离。影像侧的深 度范围称为焦深。 十九、后截距(mm) : 从镜头安装座盘前端到影像的距离。 二十、C 安装座规格: 名称 U1 标准外径 25.4000mm 螺丝螺纹数(25.4mm 用) 32Threads 后截距 17.526mm 二十一、数值孔径 NA,NA: 当物体在入射光孔上产生的半角为 u,且折射率为 n,n x sinu 为物体侧数值孔经(NA) 。 当物体在出射光孔上产生的半角为 u,且折射率为 n,n x sinu 为影像侧数值孔径{NA) 。 NA=n x sinu NA=n x sin u NA 越高,镜头的分辨率与亮度越佳。如下图所示 入射角度 u, 物体侧折射率 n, 成像侧的折射率 n: NA = NA x 放大率 对于 Macro 镜头,NA =M/2 xF 二十二、F 值 F No: NA = 1/2 xF NA=NA x 光学倍率 NA=NA x 光学倍率 此值指镜头的亮度。将镜头对焦距离除以物体侧的有效直径(入射光孔直径 Dmm),即可得到此数值, 也可使用 NA 与镜头的光学放大倍率(β )计算。数值越小,镜头越明亮。 F No=焦距/入射孔径或有効口径=f/D 二十三、有效 F No: 此值为具体在有限距离内的镜头亮度,指实际操作时的亮度。光学放大倍率越高(β ),镜头越暗。 实效 F = (1 +光学倍率) x F#,实效 F = 光学倍率 / 2NA 二十四、光学放大倍率 β : 物体尺寸与影像尺寸的比例。 β =y/y =b/a =NA/NA =CCD 镜头元件尺寸/视野实际尺寸 二十五、光学倍率: 放大倍率(Magnification)指的是通过镜头的调整能够改变拍摄对象原本成像面积的大小。光学倍率 就是通过光学镜头变倍的放大倍率。主要点与成像的关系:放大率是指成像大小与物体的比。 二十六、电子放大倍率: 电子放大倍率为影像在显示器屏幕上显示时与在 CCD 上显示相比的放大倍率。 二十七、显示器放大倍率: 显示器放大倍率为通过镜头在显示器呈现物体的放大倍率。 显示器放大倍率=(光学放大倍率 β ) x (电子放大倍率) (计算范例) 光学放大倍率=02x,CCD 尺寸1/2(对角线: 电子放大倍率=14 x25.4/8=44.45 显示器放大倍率=0.2x44.45=8.89(倍) (1英寸=25.44mm) ※有时根据 TV 监视器的扫描状态,以上的简易计算将有一些变化。 二十八、视野(FOV): 视野指使用照相机以后看到的物体侧的范围。 照相机有效区域的纵向长度(V)/光学倍率(M)=视野(V) 照相机有效区域的横向长度(H)/光学倍率(M)=视野(H) 照相机有效区域的纵向长度(V)or(H)=照相机一个画素的尺寸×有効画素数(V)or(H)来计算。 (计算范例) 光学放大倍率=0.2x,CCD 尺寸1/2(长4.8mm,宽6.4mm}: 视野尺寸 长度=4.8/0.2=24(mm) 宽度=6.4/0.2=32{mm) 二十九、解析度: 表示了所能见到了2点的间隔0.61x 使用波长(λ )/ NA=解析度(μ ),以上的计算方法理论上可以计算出 解析度,但不包括失线nm 三十、解像力: 1mm 中间可以看到黑白线的条数。单位(lp)/mm 三十一、MTF(Modulation 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。 三十二、成像圈: 成像尺寸 φ ,要输入相机感应器尺寸。 三十三、照相机 Mount: C-mount: 1 diameter x 32 TPI: FB: 17.526mm ,CS-mount: 1 diameter x 32 TPI: FB: 12.526mm , F-mount: FB:46.5mm,M72-Mount: FB 厂家各有不同。 三十四、边缘亮度: 相对照度是指中央的照度与周边的照度的百分比。 三十五、通风盘及解析度: Airy Disk(通风盘)是指通过没有失真的镜头在将光集中一点时,实际上形成的是一个同心圆。这个 同心圆就叫做 Airy Disk。Airy Disk 的半径 r 可以通过以下的计算公式计算出来。这个值称为解析度。r= 0.61λ /NA Airy Disk 的半径随波长改变而改变,波长越长,光越难集中于一点。 例:NA0.07的镜头 波長 550nm r=0.61*0.55/0.07=4.8μ 三十六、 MTF 及解析度: MTF(Modulation Transfer Function) 是指物体表面的浓淡变化,成像侧也被再现出来。表示镜头的 成像性能,成像再现物体的对比度的程度。测试对比性能,用的是具有特定空间周波数的黑白间隔测试。 空间周波数是指1mm 的距离浓淡变化的程度。 图1所示, 黑白矩阵波, 黑白的对比度为100%.这个对象被镜头摄影后, 成像的对比度的变化被定量化。 基本上,不管什么镜头,都会出现对比度降低的情况。最终对比度降低至0%。 ,不能进行颜色的区别。 图2、图3显示了物体侧与成像侧的空间周波数的变化。横轴表示空间周波数,纵轴表示亮度。物体侧 与成像侧的对比度由 A、B 计算出来。MTF 由 A,B 的比率计算出来。 解析度与 MTF 的关系:解析度是指2点之间怎样被分离认识的间隔。一般从解析度的值可以判断出镜 头的好坏,但是实际是 MTF 与解析度有很大的关系。图4显示了两个不同镜头的 MTF 曲线。镜头 a 解析 度低但是具有高对比度。镜头 b 对比度低但是解析度高。 三十七、微距镜头: 不用近接环或特写镜头而实现扩大摄影,为近接摄影而设计的镜头,有限远(=从物镜出射的光,在一 定距离处聚焦) 三十八、CCTV 镜头: 适合于广范围的扩大观察,需要严格精度时不适合,无限远(=从物镜出射的光,不聚焦,平行前进) 三十九、变倍镜头: 焦距可变镜头,倍率,摄像范围等可以简单改变。适合于需要寻找最合适摄影条件(摄影距离,镜头 的焦距)以便于操作的场合使用。不产生聚焦位置移动的称为变倍镜头,产生焦距位置移动的称为变焦镜 头。 四十、成像圆: 光学系统中成像圆的尺寸,成像圆的尺寸=CCD 对角尺寸,和 CCD 尺寸同样意义。 四十一、后变倍镜头: 安装在 CCD 前面,不改变工作距离,扩大视野范围。F 值下降,分辨率、对比度下降,聚焦会有些不 准。 四十二、前变倍镜头: 安装在镜头前面,工作距离会变化,亮度不变,扩大视野范围。