机器视觉系统中,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镜头得到,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介绍。
一、远心光学系统: 指主光线平行于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。光从镜头朝向影像,与与光学轴保持平行,甚至在轴外同样如此, 则称为影像侧远心光学系统。
二、远心镜头:远心镜头指主光线与镜头光源平行的镜头。 有物体侧的远心, 成像侧的远心,两侧的远心行头等方式。通常的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。
两方远心境头: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、非远心光学系统的特色:
非远心:
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。
物体侧远心:
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。
双侧远心镜头:
优点: 与 MML相似,但镜头凸缘后端的尺寸出现极大差异时,会出现偏差。
缺点: 与 MML相似,但成本比MML更高。
四、远心:
Telecentricity 是指物体的倍率误差。倍率误差越小, Telecentricity 越高。 Telecentricity 有各 种不 同的用途,在镜头使用前,把握 Telecentricity 很重要。远心镜头的主光线与镜头的光轴平行,Telecentricity 不好, 远心镜头的使用效果就不好; Telecentricity 可以用下图进行简单的确认。
放大倍率:光学透镜性能参数,是指物体通过透镜在焦平面上的成像大小与物体实际大小的比值。在相机镜头中,一般会标称“最大放大倍率”,指该镜头在:
1.最大焦距(定焦头焦距恒定); 2.清晰成像的最近拍摄距离;
两个条件下的放大倍率值。这时的放大倍率值是这个镜头放大倍率的最大值。
β =y' /y
=b/a
=NA/NA'
=CCD镜头元件尺寸/视野实际尺寸
例如:某70-200mm焦段的镜头标称放大倍率为1/6.5,是指该镜头在200mm焦段、能清晰成像的最短拍摄距离拍摄时,焦平面上的成像与被摄物体实际大小的比值为1/6.5。
五、分辨率(μm):
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 1μm的分辨率代表两点间在无法识别前, 能靠近的最近距离为1μm。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):
分辩力指黑白网线图镜头里影像内 1mm面积,可识别的黑白两色条纹数。 分辨力的单位为线条 /mm,例 如 100 线条 /mm代表可识别黑白间距 1/100mm(10μ m)。黑白线条的宽度为 1/200mm(5μm)。
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条方面, 一组视为 2TV 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( %),假设*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*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)
O/I 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:
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模糊情况,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、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×有效画素数( 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)