工业镜头简介

工业镜头的接口

物镜的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即F型、C型、CS型。F型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头；而当物镜的焦距约小于25mm时，因物镜的尺寸不大，便采用C型或CS型接口。

——C接口和CS接口的区别

•C与CS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的位置）的距离不同，C型接口此距离为17.5mm., CS型接口此距离为12.5mm.。

• C型镜头与C型摄像机，CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用。C型镜头与CS型摄像机之间增加一个 5mm的C/CS转接环可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。

工业镜头的基本参数

§视场(Field of view, 即FOV，也叫视野范围) ：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。（视场范围是选型中必须要了解的）

§工作距离(Working Distance,即WD):指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调？包括是否有安装空间等）

§分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好。

§景深 (Depth of view，即DOF)：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力
（需要了解客户对景深是否有特殊要求？）

 

 

——工业镜头的其他参数

感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视场非常重要。镜头主要缩放比例(PMAG) 由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸和视场，但PMAG却不属于基本参数。

焦距（f）焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。（需要记住的公式）f={工作距离/视野范围长边（或短边）}XCCD长边（或短）

焦距大小的影响情况：焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸变越大； 焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低；

■解析度
表示一组物镜所能见到了2点的最小间隔

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，但不包括失真。
※使用波长为550nm

■解像力

１mm中间可以看到黑白线的条数。单位（lp）/mm.

■MTF（Modulation Transfer Function）

失真（distortion）：（衡量镜头性能的指标之一）

又称畸变，指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。

光圈与F值

光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1。4，f2，f2。8 etc

——工业镜头各参数间相互影响关系

光圈大小的影响情况：

光圈越大，图像亮度越高；景深越小；分辨率越高；

像场中央与边缘：

一般像场中心较边缘分辨率高；像场中心较边缘光场照明高

光波长度的影响：

在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像

的分辨力高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长

的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。

 

 

光学放大倍数
用于计算主要缩放比例的公式如下：PMAG = 感光芯片尺寸 (mm) / 视场(mm)

 

 

图 2: 主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图

——显示放大倍数

•显示放大倍率在显微中应用非常广泛，被测物体的显示放大倍率取决于三个因素：镜头光学倍率、工业相机感光芯片的尺寸（靶面大小）、显示器尺寸。

•显示放大倍率=镜头光学倍率×显示器尺寸×25.4/耙面对角线尺寸

工业镜头的主要类别：分类方式

•按焦距划分：定焦和变焦

•按光圈划分：固定光圈和可变光圈

•按接口划分：C接口、CS接口、F接口等

•按倍数划分：定倍镜头、连续变倍镜头

•机器视觉行业常用到的很重要的镜头主要包括FA镜头，远心镜头和工业显微镜等

工业镜头的主要类别：

——常用摄像物镜

§常用摄像物镜参数

主要参数有焦距f 光圈数F和视场2ω. 经验公式：1/F *tanω√f=C

F型接口类型摄像物镜焦距表（mm）

C,CS型接口类型摄像物镜焦距表(mm)

——近摄物镜

•接圈

简单的近摄物镜是在照相镜头和CCD相机之间加入一个接圈，见图1.1－18 ，由此，CCD的敏感面可以位于照相镜头的像方焦面的外面一段距离，从而可以摄取到较近距离目标的像，但它受到图像清晰度的限制。

 

 

——近摄透镜

在摄像物镜前端拧上一个近摄透镜，可以摄取到更近距离目标的像。采用近摄镜后，目标像的畸变增大了，为此，近摄透镜的屈光率不能太大，使原工作距离的缩短量一般不超过20％。

 

 

——远摄物镜

与近摄物镜相反，为了对远距离目标摄取到清晰图像，要采用远摄物镜。这种物镜是一长焦距物镜。远摄物镜可以是折射系统、反射系统或折反射系统。反射式远摄物镜常采用卡塞格林式远摄物镜.折反式远摄物镜由于采用前部校正透镜，其成像质量更加良好.

远心镜头特性

物方远心镜头可以消除透视畸变，像方远心镜头可以获得更好的像面照度的均匀性。

 

——物方远心物镜

采用平行光路设计，物方远心物镜是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上。

——像方远心光路

像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物 方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴。

 

——远心物镜

•在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；

•即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样亲会产生测量误差。

•采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。

——远距物镜

远距物镜是一种焦距很长而镜筒较短的物镜，从物镜前表面到像平面的距离小于焦距，这对于长焦距物镜来说，有利于缩短物镜的轴向尺寸。按照上述原理构成的远距物镜，结构型式是各种各样的，尤其是前组，由于负担较大的光焦度，结构一般要比后组复杂。

——反远距物镜

反远镜是一种焦距较短而后截距很长的物镜，这样，在物镜和CCD之间可以加入分光镜，以实现取景等作用。

——畸变物镜

•畸变物镜能够在它的像中预先引入规定的畸变。当物镜存在很大的负畸变时，实际上能够拍摄角视场超过180°的物空间。这种物镜用于宇航研究、气像测量中。

•吉柳在1930年首先成功地实现了角视场180o和相对孔径1：22的畸变物镜（图1.1－30b）。畸变物镜可以按照反远距物镜的光路图作出。第一组由一或二个透镜组成，并造成很大的畸变（图c、d）。第二透镜组用于校正像差，以便获得清晰的像。

•为了研制超广角物镜，像场角余弦四次方的影响是最大的障碍。但是由于负的畸变，在像场边缘上光束深缩，因而在像场边缘上实际光学密度并不比视场中心低。

工业镜头的选择要点

对镜头的选择，我们首先必须先确定客户需求：

1、视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头，以有利于运动控制。

2、景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选择高景深的尖端镜头。

3、芯片大小和相机接口 ：例如2/3”镜头支持最大的工业相机耙面为2/3”,它是不能支持1英寸以上的工业相机。

4、注意与光源的配合，选配合适的镜头 。

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