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如何选择可变放大倍率镜头

如何选择可变放大倍率镜头

以下是成像资源指南的 7.5 部分

选择成像镜头时,必须了解成像系统的基本系统参数(详情参见成像系统中的6种基本参数 )。 在正确选择镜头之前,至少要考虑工作距离、视场和分辨率等因素。

对此,可以假设固定焦距镜头、变焦镜头和微距镜头具有相同的工作原理,并可按照相同的方式进行选择。假设变焦镜头规定了具体焦距,且变焦功能已锁定。

所有可变放大倍率镜头都根据公式 1 进行对焦。

(1)$$ \frac{1}{z'} = \frac{1}{z} + \frac{1}{f} $$

当 z’ 为像距(可视为成像平面和最后一个元件的距离),z 为物距(或对焦物体和前方镜头元件的距离),f 为镜头焦距。这是一种近似公式,其假定条件是镜头厚度为零,用以说明像距和物距的关系。对于给定焦距,随着物距(工作距离)增加,像距亦随之增大。

对于单镜头元件,比如平凸镜头或双凸镜头,该公式有助于在给定物距和像距情况下,确定正确焦距。但在采用多元件物镜的机器视觉系统中(如图 1 所示),这种公式具有以下几个不足之处:不能描述视场,且由于无法在机器视距镜头中测量成像距离,所以难以确定焦距。

通过采用放大倍率公式,即公式 2,

(2)$$ m = \frac{z'}{z} = \frac{h'}{h} $$

其中 h’ 和 h 分别为成像平面尺寸(通常是传感器尺寸)和视场,就可以重新将公式 1 转化成一个更有用的形式,如公式 3 所示。

(3)$$ h = h' \left( \frac{z}{f} - 1 \right) $$

公式 3 提供了一种快速轻松确定具体应用需要何种焦距镜头的方法,但前提条件是需给出视场和传感器尺寸等基本参数。

图 1 和 2 显示的是一些具有不同焦距和不同传感器(对应于各个y轴)的镜头按公式 3 产生的性能曲线。

Figure 1: Lenses of different focal lengths and their fields of view on 1/3” and 1/1.8” sensors
图 1: 不同焦距镜头以及采用 1/3” 和 1/1.8” 传感器时的视场大小。

 

Figure 2: Lenses of different focal lengths and their fields of view on 2/3” and 1” sensors
图2: 不同焦距镜头以及采用 2/3” 和 1” 传感器时的视场大小。

这些曲线图有助于在已经选定相机的情况下,确定机器视觉镜头的正确焦距:只需沿着 x 轴至所需工作距离处,通过相应 y 轴(取决于所用传感器尺寸)确定坐标平面上的焦点位置。选用镜头时,最好先从形成焦点的最近一个镜头开始调查 这可以显著缩小镜头选择范围。

此外,这些曲线图还能显示机器视觉系统中有关固定焦距镜头的一些要点。镜头的焦距越长,最小工作距离就越长,这是由其光学设计决定的。在镜头和相机之间增加隔圈可以缩短最小工作距离,但图像质量最终会受到影响(详情参见镜头垫圈,垫片和焦距扩展器). 第二,传感器越大,在相同焦距镜头下的视场也越大。例如,工作距离为 350mm 时,2/3” 传感器上的 12mm 镜头的视场约为 370mm,但在相同工作距离下,1”传感器的视场约为 530mm——增加了 43%。最后,曲线图中存在一些空白,表明现成的标配固定焦距镜头不存在。例如,具有可用焦距的 2/3”传感器无法在 600mm 的工作距离下获得 525mm 的视场。最接近的镜头的焦距为 8.5mm,这需要大约 510mm 的工作距离才能获得该视场。

这些曲线图只是缩小具体应用最佳适用镜头选择范围的第一步。它们不能解决图像质量、失真,相对照度或成像镜头其他重要质量问题,而只能提供具体传感器尺寸下的视场大小。关于如何按照分辨率选择镜头的问题,请详见 根据分辨率选择镜头.

 

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