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镜头垫圈,垫片和焦距扩展器

镜头垫圈,垫片和焦距扩展器

成像资源指南7.1章节

有时,应用需要镜头进行超出其极限范围的延伸,或者精准地达到其理论设计参数。镜头垫圈,垫片和焦距扩展器这几个简单的工具能够使用户轻松实现这类要求。垫圈和焦距扩展器能够改变定焦镜头的视场或工作距离,而垫片可用于精确控制远心镜头的工作距离。

镜头垫片

多数固定焦距镜头拥有集成机械结构组件,可在不同工作距离上实现聚焦。设计的固定焦距性质意味着元件将在界定的范围中移动,而这将决定可进行聚焦的工作距离。此预先界定的范围是根据镜头的设计而定,因为镜头会在适合其设计的范围中实现最佳性能。但是,当需要较小的视场或较短的工作距离时,将镜头性能发挥至超越其界限以便符合某个特定应用通常是利多于弊。通过在相机与镜头之间放置垫片来增强系统,镜头的最佳性能工作距离范围将有所改变。此增强将为镜头的一般操作方式带来各种偏差,而将其实施在任何系统之前需仔细考虑这些偏差。

一般上,添加垫片的主要目的是为了增加视觉系统的放大倍率或缩短工作距离;这两种变化会协同进行并且可利用高斯成像方程式说明。方程式1展示了图像距离(I)、对象距离(O)以及镜头焦距(F)之间的关系。请注意,对象距离是个负数。通过增加图像距离,对象距离(镜头的工作距离)必须缩短。当工作距离以及图像距离有所改变,放大倍率(PMAG)也需根据方程式2改变(有关放大倍率的更多信息,请参阅《物体空间分辨率》应用案例)。图1以视觉方式展示此效果。成像镜头是个较为复杂的系统而且垫片使用的计算也比较复杂。

(1)$$ \frac{1}{I} = \frac{1}{O} + \frac{1}{f}$$
(2)$$ \text{PMAG} = \frac{I}{O}$$
An Illustration of the relationship between image and object
distance (I and O respectively) and lens focal length (f).
图1: 图像与对象距离(分别为I和O)以及镜头焦距(f)之间的关系说明。

在光学系统中使用垫片所带来的两个最为显著的优势是较短的工作距离以及更大的放大倍率(缩减视场)。每种应用均有适合其的垫片。以下将展示一个例子,以一款35mm焦距镜头为例,比较其在搭配与没有搭配一款11mm垫片时所呈现的性能。垫片的结果载于表1

在我们所展示的例子中,垫片为系统所带来的最显著影响是将工作距离缩减超过一半,而且放大倍率也增加了超过两倍。在空间狭窄的应用中,使用这款垫片也可带来好处,因为总长度(图像板与对象板之间的距离)得以缩短。

 无垫片11mm 垫片
焦距 35mm 35mm
镜头长度 41mm 52mm
图像距离 42.9mm 53.9mm
物距 190.9mm 100mm
工作距离 165mm 74.1mm
总轨道 223.5mm 143.6mm
放大率 0.22X 0.54X
视场 (½") 28.5mm 11.88mm

表1: 相同的35mm焦距镜头(以最低工作距离聚焦)在搭配与没有搭配垫片时的规格比较。最重要的系统改变以粗体显示。

同时也必须考虑到垫片将如何影响光学系统的性能。根据光学设计而定,镜头在添加垫片之前的实际操作工作距离范围通常是能够实现最佳性能的工作距离范围,而垫片会改变这些距离从而影响性能。使用上述例子中的相同镜头,以一款2/3”传感器为例,图2与3将展示镜头在最低工作距离时的MTF曲线(图2)以及搭配11mm垫片的镜头在f/4时的MTF曲线(图3)。一般来说,如果垫片的长度超过焦距的一半,就不应使用垫片。

如果使用方式正确,垫片能够有效地增强镜头并使其能够适用于特定的应用,但前提是必须考虑到镜头的限制以及性能降低。限制波长范围以取得单色照明将有助于缓解这些问题。作为最佳实践,在镜头的设计范围中使用镜头是实现最佳性能的理想选项。拥有较长焦距的镜头通常会对垫片做出更好的响应,因为相较于拥有较短焦距的镜头,这几款镜头的设计较为简单。同时非常重要的一点是,在考虑是否加入垫片之前应仔细分析系统。

35mm focal length lens at the minimum designed working distance.
图2: 以设计的最低工作距离聚焦的35mm焦距镜头。
35mm focal length lens with 11mm spacer.
图3: 搭配11mm垫片的35mm焦距镜头。

垫片

垫片的基本功能与垫圈相同,不过更适用于定倍镜头,如远心镜头。垫片相当于非常薄的(0.025 - 1.0mm)不锈钢垫圈,用于精确控制工作距离,以保证预设系统能拥有最佳图像质量。

法兰距的定义为相机卡口到传感器平面的距离,不过由于公差的存在,它与标称设计距离相比可能略有变化。这种相对于标称值的偏差源于相机的外壳设计及其内部传感器位置的变化。我们可能需要一个精确或自定义的距离来控制以下规格:工作距离,图像质量或一个系统到另一个系统的可重复性。垫片作为一种很薄的垫圈,可以放置在镜头和相机之间来调节此距离。

当图像距离变化时,图像质量也可能会变化,如果图像距离偏离理论设计距离太多,MTF可能会发生明显的模糊或降级。例如,当一个镜头搭配不同的相机时,极易发生这种现象。即使相机和镜头使用的都是同一种型号,相机之间仍然存在很小的不同,这可能会导致每个新系统组装时,工作距离或图像质量的变化。在这种情况下,可以使用垫片进行微调,使MTF和对焦重新回到最佳水平。在每个新系统的设置期间,需要对图像距离进行微调,这就是为什么许多远心镜头带有垫片的原因。利用这种方法,从一个系统到下一个系统,每个系统的关键光学参数,软件阈值和校准程序都能保持一致。

远心镜头通常适用于需要高标准制造测量的应用,或者用于获取待测物体的某个视图。通常,这些应用中包含各种各样的问题,例如摆动的机器人手臂的工作距离有限,附近有污染,或因为新的测量系统必须适配现有机械布局,从而导致整体空间十分有限。与镜头垫圈相似,在远心镜头后面添加或移除垫片可以平衡像距,物距, 和焦距(图1)之间的关系,并将工作距离调整到有效范围内。在单色应用中,垫片也可用于补偿或重新聚焦,解决焦点偏移的问题(参见第6节)。垫片可帮助用户精确控制图像距离,为其应用提供最佳解决方案。

焦距增距器/倍增器

增加机器视觉系统放大倍率的另一方法是使用焦距增距器。焦距增距器类似于镜头垫片,而其相似之处在于两者都是放置在镜头后方与相机之间的位置。焦距增距器却不会改变镜头操作的工作距离范围;焦距增距器含有一组负值元件,可利用倍增因子改变机器视觉镜头的焦距。例如一款拥有2X焦距增距器的25mm焦距镜头的有效焦距将达到50mm,因此在相同的工作距离范围下,其视场也将是原始视场的一半。

焦距增距器的另一好处是,其能够与其他增距器堆叠使用,从而以倍增方式改变镜头的焦距。例如,一款25mm焦距镜头搭配一款1.5X焦距增距器以及一款2X焦距增距器使用时可取得75mm的新焦距,因为25乘于1.5再乘于2等于75。

使用垫片将带来负面影响而使用焦距增距器也是如此,因此在使用焦 距增距器时应考虑到潜在的图像质量下降。物镜内的个别镜头元件均经过特别设计与建造以便在光学性能方面相互平衡,而在光学组件内添加额外的负值元件将会引入额外的光学像差,而此像差是镜头设计所无法平衡的,因此最终将会影响物镜性能。焦距增距器也可通过改变f/#降低镜头的光通量。例如,一款2X焦距增距器可将光通量降低至原有的四分之一。在实施焦距增距器之前应先考虑到这将为图像质量带来的潜在负面影响。

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