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终于明白了如何选择一个适合的工业镜头

发表时间:2023-01-03 09:28

传感器的尺寸

传感器尺寸制约着镜头及接口,因此在选择镜头的时候要考虑传感器的大小才能捕获完整的图像,不会出现晕影。下图为晕影示例,较大尺寸传感器相机搭配了为较小接口的镜头,而产生了镜头投射的阴影

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咖啡杯图像上的晕影

传感器尺寸决定了相机视野的裁切系数。通过下图一组固定焦距、不同传感器尺寸的相机拍照实验来展现视野的变化。通过三幅图可以看出,在指定焦距下,随着传感器尺寸减小,图像将会越来越大。其中全画幅35mm传感器代表全尺寸图像,传感器尺寸减至2/3, 一直减小至¼”传感器,该图像会继续放大。减小传感器尺寸后,图像会应用裁切系数,这类似于镜头如何拉长焦距进行放大。因此,较小的传感器将需要更宽的FoV才能捕捉更完整的目标,或需要相机保持更远的物理距离,直到画幅内出现完整的目标。

Teledyne Imaging有各种尺寸传感器的相机供选。最大尺寸传感器代表是Teledyne DALSA Falcon4相机使用的中画幅传感器。最小尺寸代表是Teledyne DALSA Genie Nano C/M640采用的传感器。

由于不同尺寸的传感器都有各自可兼容的镜头,因此重要的是了解在选择好既定尺寸传感器的相机之后,如何选择一个合适、性价比高的镜头。一个小型传感器相机可配备一个价格合适的定焦镜头,这种镜头,尺寸小,内部组件少,因此造价低廉。对于中画幅传感器而言,分辨率会很高,因此所需的镜头光学元件要达到非常高的质量才行,因此会大大地增加视觉系统的成本。

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不同传感器尺寸对比

光圈决定了相机的进光量,光圈开口越大,到达传感器的光量就越大。但是,大光圈也会导致景深(DoF)变浅。反之亦然,光圈开口缩小,光线只能通过一个窄孔,并增加景深,从而使相机拍摄到的图像中有更多的聚焦区域。光圈用f-stop值表示。f-stop通常有F1.4、F2、F5.6、F11、F16、F22。f-stop值表示光圈的闭合或打开程度,值较高(例如F22)表示光圈较小甚至几乎关闭,而该值较低(例如F5)则表示光圈打开的范围较大。

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大光圈(左)和小光圈(右)对比

光学像差

成像时会出现多种类型的光学像差。像差主要因光学元件没有正确聚光,或者镜头没有矫正设计,而导致图像出现各种类型的问题。但不是所有的像差都不可被接受。比如使用广角镜头,FoV会更宽的优点可能比图像边缘出现的桶形像差更重要(如下图)。而且消除光学像差可能成本很高,使用有像差校正功能镜头构建一个理想的视觉系统会大大增加经济成本。如需了解光学像差的详细列表、光学像差的影响以及减少光学像差的方法,请点击阅读《光学系统中的常见像差》。

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白色网格线的桶形失真显示了广角镜头扭曲对图像的影响

球差也是一种常见的像差类型,它会导致图像边缘模糊。出现球差的原因在于大多数镜头光学元件是球形形状,光线会聚焦在光轴上不同的点,形成多焦点。从下图可以看到这一点,底部的图表显示由于球差导致出现多个焦点,顶部显示修复像差使用的非球面镜头。

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用多焦点描述球差

不同镜头的应用

市场上有各种各样的镜头,每种镜头都有非常特定的用途,因此需要根据具体的成像应用来选择最适合的工业镜头。与传感器兼容的光圈、焦距和裁切系数等因素都会影响镜头对应用的适用性。比如在需要宽FoV的应用中,通常选择使用广角镜头。又如在一些视觉应用中,相机只能安置在离拍摄目标较远的位置时,长焦镜头就是最佳选择。

航空成像

航空成像是一种独特的应用,在这个应用中会同时使用多个不同类型、不同功能的镜头。选择航空成像镜头的关键是地面采样距离(GSD)。GSD与视觉系统所在的飞行器高度有直接关系。在高海拔的应用中,长焦镜头通常是最好的选择。长焦镜头的优势在于能放大目标主体并能够获得更远目标的更多细节。在海拔较低的成像应用中,使用广角镜头(例如17mm镜头)可能更合适,以便能够更好地捕捉更多环境信息,无需增加相机的高度。广角镜头常可用于智慧农业等应用,因为其FoV更宽。与长焦镜头相比,大视野的广角镜头更适用。对同一区域进行一次成像,长焦镜头需要飞行器飞得更高,这会导致电池消耗过大。除了使用更宽的广角镜头之外,还可通过使用多台小型相机来增加视觉成像的像素宽度,这种方式甚至比使用单台更大视野和更大传感器的相机更有效,如下图所示。

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一个2000万像素相机和两个900万像素相机视野宽度对比

激光束轮廓测量

激光轮廓测量是视觉成像的典型应用,通常不使用镜头。因为激光束轮廓测量应用中捕捉激光束轮廓的目的是了解从光源发出的光分布的均匀度,因此分辨率是关键要素。而激光束轮廓在通过镜头的光学元件时,不仅会被玻璃吸收光还会产生反射,发生的任何变化都会导致图像的分辨率降低或信息错误。为了确保拍摄激光束轮廓测量的准确性,必须排除任何玻璃。

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激光束轮廓测量

监控

在监控和安全应用中,监控环境时可以捕获更宽的FoV,相机通常配备焦距较小的广角镜头。如果使用较窄FoV的设备,则需要增加设备数量来替代广角镜头的FoV。监控设备的镜头通常使用CS-接口,也可以选择C-接口的镜头。C接口镜头可以与CS-接口相机搭配使用,从而创造更好的成像效果。

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Teledyne Lumenera Lt系列C-接口P-IRIS相机

监控设备的高度是重点考虑因素,因为在使用更宽FoV镜头采集图像时,距离过远会导致成像问题。若设备高度过高,则需要利用更长焦距的镜头来放大ROI(感兴趣区域)。

在考虑视觉系统的对环境明暗的适应性时,动态调光是个重点。使用P-IRIS镜头,可以通过软件来调节光圈值。相机放置在具有明暗变化的环境中时,这种镜头会起很大帮助,例如拍摄建筑物表面,日/夜光线对成像质量影响很大


智能交通系统(ITS)

在交通成像这类需要将相机安装在拍摄区域上方高处的应用(例如,安装在高速公路上方的柱子或龙门架上),安装高度对DoF有很大的影响。在高速公路上使用长焦镜头,优点是能对更长距离中的多个车辆进行成像,缺点是会限制准确成像的车道数量。使用较小光圈的广角镜头可以捕捉到更宽的细节信息,一次性可以采集多个车道的图像,但拍摄距离更短。如下图,比较了长焦镜头捕捉单个车道上的多辆汽车图像与广角镜头同时捕捉多个车道图像。如需要达到更优更快速的信息采集,可以使用多台长焦相机。

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长焦距和短焦距对比


选择哪种镜头?

镜头是视觉系统的最重要的部分之一,它影响和制约着能到达传感器的光线质量。了解光在通过镜头的光学元件时产生的折射、反射,以及镜头焦距,是选择合适镜头的基本前提。一个理想镜头的参考因素可以归结为传感器的尺寸、系统的光学要求,以及镜头的物理结构是否符合视觉系统的设计参数规定。不存在最完美的镜头,只能选择最适用于当下应用的镜头如欲了解更多,请通过微信公众号SCcoretech或直接电话联系我们的技术专家。


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