四川广泰科技有限公司

工业相机镜头知多少?

发表时间:2022-12-19 09:42
工业相机使用的镜头是一个由内置的多种光学镜片组成的镜头系统,镜头上还配备了安装环,可安装在各种不同的相机上。组镜技术多种多样,因此这种可安装的相机镜头被称为“复合镜头”。
选择适当的相机镜头才能达到特定的成像效果,因此如何选择镜头对视觉系统至关重要。本文将探讨镜头的物理参数、类型及其独特的光学特性和其他影响因素,如是否兼容不同尺寸传感器、光圈是否足够大以及光学像差对图像质量的影响。本文末尾也将讨论如何根据应用选择最具性价比的镜头。
工业相机的各种镜头如下图:
图片

各种尺寸和焦距的镜头

焦距

为应用选择合适的镜头需要仔细考虑镜头焦距的选择。镜头主要分为定焦镜头和变焦(也称套装)镜头。这两种类型镜头的主要区别在于定焦镜头具有固定焦距,而变焦镜头可实现一系列不同的焦距。焦距是光线从相机镜头到传感器位置的距离,如下图所示。焦距通常以毫米(通常缩写为mm)为单位,是图像信息的重要构成,能传达镜头的视角(FoV)以及图像目标放大倍率等信息。
图片

测量相机系统内的焦距

和人眼一样的镜头视角,其焦距约为50mm。而变焦镜头的焦距范围为35-70mm,能提供一定范围大小的视角,且不会过度拉伸或放大拍摄对象。由于胶片和传感器的物理形状,视角被裁剪成一个框,作为捕获“正常”图像的标准。

聚焦环

手动调节相机镜头的焦距被称为拉焦。当用户移动相机位置并需要重新聚焦时,就需要用到拉焦。在商业成像应用中,工业相机被安装工具固定到某个位置。如果应用只需要拍摄同一个目标,则可使用定焦相机,可以先在设置过程中调节焦距,或使用自动对焦来完成焦距的初始调节。而一些需要拍摄移动物件的应用通常需要相机能随拍摄目标位置的变化重新聚焦。在相机移动拍摄的应用中,如机器人或航空成像,镜头能否及时重新聚焦则是视觉系统成败的重要因素。

变焦环

变焦环可以改变相机的焦距。相机的焦距拉长之后,拍摄特写图像时,视角(FoV)会缩小,视野内的边缘环境细节会减少。下图对此进行了举例,焦距越长,图像越被放大,视角就越窄。
图片

视野随焦距增加变长变窄

相机镜头内的光学元件因镜头类型而异。一般来说,最大的区别为镜头是变焦镜头还是定焦镜头。复合镜头有更多的镜片组,因为这种镜头需要能够调节相机的焦点。复合镜头的变焦环增加了更多的光学元件,可以改变光线到达传感器的方式。而定焦镜头零件少,操作简单,零件也更少,价格实惠,因此也有其特定优势。

镜头接口

在选择镜头之前,通常已经根据传感器选择好了相机,然后再根据应用需要以及相机接口类型来确定可用的镜头类型。制造商可能会使用独特的、或专有的卡口来将镜头固定到相机上。镜头接口大小和相机传感器尺寸相互制约,大多数镜头接口设计只兼容特定尺寸的传感器。不同卡口的镜头,使用转接环进行安装。使用转接环整合镜头时,制造商之前已经植入的某些专有技术可能不再兼容。这可能会导致相机失去部分有用的功能,例如自动对焦或通过相机调节光圈的功能。最理想的情况仍然是使用与相机传感器尺寸相匹配的镜头,从而最大限度地提升光学性能。常见的镜头接口类型包括A、E、EF、C、CS和S接口(也称为M12接口)。
图片

微型三分之四(M4/3)传感器的镜头接口

镜头清晰度

搭载高像素大尺寸传感器的工业相机理论上可以拍摄出非常清晰的图像,然而,视觉系统的有效分辨率受相机镜头的限制。镜片玻璃的缺陷会降低图像质量,光线通过镜头时都会受到影响,包括光学像差、划痕或内部损坏。因此为了拍摄出这些高分辨率图像,相机必须配备一个可以优化图像质量的镜头。镜头的价格差异很大,这对可以达到的清晰度水平会产生巨大的影响。通过针对光学元件的一个潜在问题进行调整,或提高制造过程中的清洁度、安排新的缺陷检查等,每一项措施都会增加镜头的制造成本。在工业成像中,根据每毫米线对的清晰度进行镜头质量等级划分。通过拍摄图表上这些视觉效果不同的图案、线条,可以测量相机的分辨率水平。为了更准确地测量图像清晰度,市场还推出了软件解决方案来分析特定图表(例如USAF或星图)的成像结果。下图显示了其中一个示例,图中的一对相机对ISO 12233图像质量测试图进行成像试验。
图片

多台Teledyne Lumenera相机拍摄ISO 12233图像质量测试图

相机的曝光时间和增益对清晰度也有较大影响。高分辨率传感器搭配能够再现细节的高质量镜头,则可以进一步提高清晰度。如果镜头质量较差,也可以使用更大的传感器来提高图像的清晰度。传感器和镜头分辨率/清晰度对于整个视觉系统都很重要。

镜头类型

图片

一组具有不同广角和长焦镜头组成的定焦和变焦镜头

定焦镜头和变焦镜头

定焦和变焦是镜头的最主要的分类依据。定焦镜头是只有固定不变的焦距,而变焦镜头可以通过旋转镜头上的变焦环来调节镜头的焦距。定焦镜头和变焦镜头之间的比较如下图所示。
图片

定焦镜头(左)和变焦镜头(右)

在工业应用中,相机大多都是重复执行相同的任务,因此通常配备镜头组件少价格实惠的定焦镜头。但是移动拍摄或拍摄物离相机距离在变化时,就需要安装变焦镜头。结构简单的定焦镜头可以产生质量更好的图像,因为变量越小,制造过程中出现问题的可能性就越小。变焦镜头的灵活性更强,因为它们具有许多不同的焦距。镜头系统要用到更多的光学元件和移动部件来调节焦距,帮助进入镜头的光汇聚到传感器。复杂的内部构造除了增加镜头的成本,还可能会导致清晰度降低。但随着镜头技术不断改进,定焦镜头和变焦镜头之间的成像质量差距在不断缩小。这确保了成像应用不再需要为了图像质量而妥协选择定焦相机。

广角镜头

广角镜头因提供广视角而得名。下图中可以看到一对广角镜头。镜头表面的弯曲程度远高于长焦镜头。镜头面的大曲率能可让更宽角度的光线进入镜头并通过镜头系统汇聚到传感器。

图片

一对广角镜头

对于通常需要自上而下进行全方面拍摄的成像应用,例如智能交通系统(ITS)和航空成像,一般选择这种类型的镜头。下左图展示了对多条车道一次成像的交通视觉系统,右图是用于智慧农业对大范围农作物进行成像的航空成像系统。广角镜头采用短焦距以获得更大的视角(FoV),例如使用17或28mm镜头可以帮助相机一次拍摄更广的区域。
图片

拍摄智能交通系统(左)和精准农业(右)图像使用的广角镜头示意图

使用更宽的FoV虽然会获得更宽的图像,但图像四周也会发生桶形扭曲。市面上有更精细/更昂贵的光学元件可以纠正广角镜头的失真,也可使用图像或视频编辑软件进行调整和失真补偿,生成更好的图像。

直线镜头和鱼眼镜头

图片

直线镜头(左)和鱼眼镜头(右)

直线镜头没有广角镜头的桶形失真,但它自身也会有一定的失真,需要在后期图像处理中进行简单校正。如果视角过宽,即使镜头搭载了可以补偿失真的光学元件也不会形成平坦的完美FoV。现代的镜头技术已经很大程度上减轻了这类失真影响,因此几乎可以忽略不计。与直线镜头相反,鱼眼镜头使用广角FoV,能够形成接近180度的视角,但因扭曲会生成圆角图像,且无法光学校正失真。后期图像处理会改变图像的边缘以及图像清晰度,只能裁剪掉图像的失真部分,但这就失去宽FoV形成的优势了。

长焦镜头

图片

长焦镜头组,说明大小尺寸都可以实现较长的焦距

与广角镜头相反,长焦镜头缩小了相机的FoV。使用100或200mm或更长的焦距,相机可以有效聚焦更远的目标,同时FoV随焦距的拉长而变得越窄。质量较差的镜头或使用极长焦距时,可能会发生枕形失真,图像从中心向四周弯曲。下图可以看到变焦长焦镜头完全伸展后的长度,与旁边的定焦镜头形成了鲜明的对比。进入广角镜头的光线需要挤压后才能到达传感器,而进入长焦镜头的光线有一条非常直接的路径到达传感器。
图片

两种长焦镜头:变焦镜头(左)和定焦镜头(右)

微距镜头

图片

100mm焦距的微距镜头

微焦相机用于捕捉特写的微距图像,镜头需要靠近目标才能正确对焦。焦距范围大约35-200mm,但通常在该范围的中间位置才会产生最佳成像效果。使用过短的焦距,需要将相机更靠近拍摄对象,光线也会因为遮挡而减少。微距镜头可以提供至少1:1的放大倍率,这意味着传感器捕获的图像与目标的实际尺寸成正比。有些微距镜头可以将图像放大到超过标准1:1的比例,但镜头价格也很高。通过下图比较普通镜头和微距镜头,可以看出,都能够拍摄具有相同放大倍率的微距图像,微距镜头工作距离更灵活,可以离拍摄目标更近。

图片

相机及其最小焦距对比

移轴镜头

图片

24mm移轴镜头

移轴镜头可能是最复杂的镜头系统之一,镜头相机内部的光学元件不处在同一光轴上。使用移轴镜头的优点是可以实现大型建筑体的全域聚焦,使画面中心与四周的被拍摄物体都能结成清晰的影像。如下图所示,使用普通镜头只能拍摄大型建筑的一部分,而移轴镜头可以通过手动移动镜头捕获建筑物的全视图,同时还能保持相机传感器与建筑物平行。虽然普通镜头通过向上倾斜,也能捕获整个建筑物,但是,传感器与建筑物之间的角度会产生透视带来的扭曲。

图片

移轴镜头采用的机制能够正确捕捉建筑物的垂直线

下图显示了镜头底座可以保持在一个位置,而其余部分可以向目标倾斜。

图片

移轴镜头调节轴偏移


请关注我们微信公众,了解更多有关信息~

20221024