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「干货」选工业相机镜头时,这些因素你都考虑了吗?

来源:UFO-VISION作者:UFO-VISION发布时间:2018-11-28 09:00:00

成本选择

成本是选择中非常重要的一部分,应该尽早在开发过程中确定下来。这会影响到我们对镜头的选择,例如:

镜头模组的类型:例如是Cctv( 闭合回路电视)镜头,远心镜头,双远心镜头

镜头模组成像质量:镜头模组的加工工艺,镜片的加工公差,装配公差。

镜头模组的镜片片数:镜片的数量在一定程度上反应了镜头都色差校正的能力,和相差的校正能力。

镜片的形状:是球面镜片还是非球面镜片,还是海鸥状镜片。非球面镜片在相机边缘的成像质量上回优于球面镜片。

图:鸥翼式非球面透镜(左图)非球面镜片(右图)

镜片玻璃材料:玻璃镜片,树脂镜片,pc镜片,萤石镜片

镜片玻璃的镀膜类型:强化膜,减反射膜,

镜头本体的材质,内壁防反射的能力。

尺寸和重量

使用镜头的时候,我们还要考虑到镜头的大小尺寸能否在我们使用的空间的正常工作,一是:是否能完成正常的安装,二是:镜头的工作距离是否满足。还需考虑到镜头的重量是否是机构可以承受的,如果镜头是需要运动的,会不会影响到机构的运动性能。导致成像不理想。

成像系统的基本参数

最终镜头选择中还需考虑镜头的各种技术性能。虽然它们是独立的要求,但它们又是相互关联的,并且可以改变其中一个,通常会影响其它性能,那么我们从成像系统的基本参数开始:视场,工作距离,分辨率,景深和传感器尺寸(图2)。

图2:该图显示了成像系统的基本参数

视场(FOV): 相机传感器可以拍摄到的被检测物体的范围。它可能是大多数系统中最直接的参数。FOV又会受到很多的因素影响,如相机的工作距离,相机的传感器尺寸,这里我们更应该提出一个中间参数,相机的视角。

工作距离(WD): 从镜头前部到被成像物体的距离。作为一个独立的参数,WD本身通常不会被影响。与FOV平衡时会产生冲突。为了实现所有其他性能参数(包括成本)的最佳平衡,应使用至少为所需FOV两倍的目标WD。但是,显着大于FOV(10倍或更高)的WD也会在性能,尺寸和成本规格方面产生问题。

分辨率: 成像系统可以区分的最小对象特征尺寸。查看细节的能力与在该细节级别产生的对比度直接相关。物体细节的空间频率与对比度之间的关系称为调制传递函数(MTF)。随着像素变小,镜头再现分辨率和对比度的能力降低。这是物理的镜头的限制。

如果使用较小像素的相机来成像时,又需要高的分辨率,那么可能在成本和景深上就要有所牺牲。如果使用具有更大像素的更大传感器是更好的系统级解决方案。这里的权衡是具有较大像素的传感器可能具有较高的成本和可能较大的相机占用面积。另外,如上所述,短WD(工作距离)的宽视场将降低镜头的分辨能力。最后,低水平的失真对大多数系统都是有益的。失真的改善往往会损害分辨率,反之亦然。在宽角度FOV 系统中,分辨率和失真之间的折衷选择就非常重要了。

景深(DOF): 可以保持可接受焦点的最大物体深度。DOF描述了在保持所需的水平同时可以进出最佳焦点的移动量。与分辨率一样,DOF也具有与之相关的物理限制。提高DOF需要改变系统以降低分辨率,并且提高分辨率会降低DOF。最重要的是,同时能实现很好的DOF和高水平的分辨率的镜头是不容易的,价格就会很高,尤其是在使用较小的像素时。移动到更大的像素是缓解分辨率和DOF的冲突的最佳方法之一。

传感器尺寸: 相机传感器能成像区域的尺寸,通常在水平尺寸中指定。传感器尺寸有助于确定获得所需FOV所需的镜头放大倍数。传感器上一个像素的尺寸是像素大小。如前所述,具有较小像素的系统将难以产生更高水平的对比度。虽然具有更大像素的更大传感器确实提高了系统性能,但它们通常更昂贵。尽早确定所需的传感器对于选择镜头有着重要的帮助。

失真:失真的简单定义是成像到传感器上的物体信息的错位。具有较大视野的镜头通常会表现出更大的失真。如前所述,在失真和分辨率之间往往存在折衷。为了在保持高分辨率的同时最小化失真,镜头的结构就复杂很多。例如镜头会有更多光学元件或更复杂的光学玻璃结构(例如异形非球面镜片)。然而,高水平的失真控制也会影响整个视场的照明均匀度,称为相对照度(RI)。这被视为在可视化具有均匀亮度的物体时传感器上的亮度水平的变化。这会在系统中产生不良影响,特别是在进行关键测量或密集软件分析的系统中。照明平整度和RI(相对照度)应该在开发过程的早期讨论完成。如果要修改,可能要重新制定光学系统。在许多镜头中,有两种主要类型的失真:负桶形失真,其中视场中的点看起来太靠近中心; 和正枕形失真,图像点远离中心。桶形和枕形是指矩形场在受到两种变形类型时所采用的形状,如(图3)所示。具有高水平失真校正的镜头通常在FOV上包含负和正失真。

图3:此处显示正负失真

最后,有不同的方法可以在技术上描述镜头的失真,即几何失真或CCTV失真。失真的形式我们有百分比形式给出,正因为是百分比给出,所以不能将不同的规格类型相互比较。

波长范围(波段):镜头覆盖的波长范围是技术规范的一个非常关键的参数。色差导致镜头难以将不同波长完美地聚焦到传感器上的相同位置。色差主要分为两种类型:横向(横跨传感器)和纵向(更接近或远离传感器)(图4和图5)。横向色差通常被称为横向颜色,作为横向位置传感器上的信息随着不同的波形变化而变化。

图4:该图像中显示的是单个正透镜的横向色差

纵向色差也称为彩色焦移,因为实际焦点位置在不同波长处移位。这两个问题都导致在给定分辨率下对比度的损失,因为对象细节的部分在多个像素上展开或模糊。波长范围越宽,实现最大性能就越困难。通过利用更大的像素,更多的透镜元件,更复杂的透镜几何形状或更昂贵的玻璃材料,可以减轻这些影响。没有人能够在所有情况下最大限度地提高性能,并且所有这些都增加了与之相关的成本。

图5:此处突出显示了单个正透镜的纵向色差

镜头对于图像的成像质量极为关键,合适的镜头可以帮我们节约成本,完成高质量的成像,机器视觉日益高涨的镜头,不光是图像算法时整个系统的核心,更好的光学方案反而会为算法减轻负担,使得图像的运算时间降低,从另一个角度提高工业性能。