机器视觉系统之镜头篇

—镜头篇机器视觉系统主讲人：张勇中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技术分公司镜头－影响图像质量的关键因素图像质量的参数影响图像质量的因素分辨率（Resolution）镜头摄像机显示设备对比度（Contrast）镜头光源摄像机景深（DepthofField）镜头失真（Distortion），也叫畸变镜头投影误差镜头主要内容光学系统的基本概念及相关知识镜头的基本参数及相关知识如何选择镜头光学系统的基本概念及相关知识光学系统的基本概念光心和主轴光心是透镜的光学中心；主光轴又叫主轴，是指透镜通过光心的两个折射面曲率中心的连线及其延长线；透镜除了主光轴外，还有副光轴，凡是其他通过光心的任一直线都叫做透镜的副光轴；一个透镜的主光轴只有一个，而副光轴却有无数个光学系统的基本概念光心和主轴光学系统的基本概念焦点和焦平面光学系统的基本概念主点和主平面光学系统的基本概念共轭关系：在透镜成像过程中，物方的每一个点在像方都有相对应的一个点，每一条直线都有相对应的一条直线，每一个平面都有相对应的一个平面，物与像之间的这种相互关连的对应关系就是共轭关系。光学系统的基本概念焦距、物距和像距从物方主点H至物方主焦点F的距离为物方焦距f或称为前焦距。从像方主点H′至像方焦点F′的距离为像方焦距f′或称为后焦距。物方焦距和像方焦距统称为焦距。透镜的物方主点到物平面的距离，称为物距。透镜的像方主点到像平面的距离，称为像距。薄透镜成像原理物距L像距L′影像性质L=∞L′=f缩小的倒立实像,物与像分别位于镜头前后两则L由∞向2f值缩短L′由f值向2f值延长同上L=2fL′=2f1:1的倒立实像,物与像分别位于镜头前后两侧L由2f值向f值缩短L′由2f值向∞延长放大的倒立实像,物与像分别位于镜头前后两侧L=fL′=∞同上(注:理论上成立,实际上并不成立)L＜fL′＞f放大的倒立虚像,物与像位于镜头的同侧薄透镜成像原理共轴光学系统共轴光学系统：若光学系统的全部界面都由球面和平面构成，且个球面的球心均位于同一直线上，则该光学系统称为共轴光学系统；目前，绝大部分工业镜头都属于共轴光学系统。共轴光学系统的光学特性点成像为点（共轭点）；线成像为线（共轭线）；平面成像为平面（共轭面）；凡垂直于光轴的物平面上各部位的影像放大率都相等，即像与物的几何形状完全相似。物像关系和放大率公式物距：L=f(1+1/β)像距：L’=f(1+β)焦距：f=L/(1+1/β)物高：y=y’/β=y’(L-f)/f像高：y’=βy=y(L’-f)/f光学系统的常用计算公式镜头的基本参数及相关知识光学镜头的基本原理机器视觉镜头的光学系统一般是由若干组透镜组成。每组透镜可能是一个单透镜，也可能是由两片或两片以上单片透镜互相胶合而成。机器视觉镜头都是厚透镜。但在大多数情况下，薄透镜的几何关系和参数计算，可以用来作为选择镜头的依据。光学镜头的主要参数靶面工作距离（WD）景深（DOF）视野（FOV）分辨率（Resolution）视野(Fieldofview)：或者叫视场角，图像采集设备所能够覆盖的范围，即和靶面上的图像所对应的物平面的尺寸；工作距离（WorkingDistance）：一般指镜头前端到被测物体的距离，小于最小工作距离系统一般不能清晰成像；景深（DepthOfField）以镜头最佳聚焦时的WD为中心，前后存在一个范围，在此范围内镜头都可以清晰成像。光学镜头的主要参数光学镜头的主要参数相对孔径：是指该镜头的入射光孔直径（用D表示）与焦距（用f表示）之比，即D/f；最大相对孔径：它往往标示在镜头上，如1:1.2或f/1.2；光圈系数：相对孔径的倒数称为光圈系数，用Ｆ表示。光学镜头的主要参数分辨率（Resolution）指在像面处镜头在单位毫米内能够分辨的黑白相间的条纹对数。分辨率为1/2d，d为线宽。单位是”线对/毫米”（lp/mm）光学镜头的主要参数分辨率（Resolution）理想镜头的焦平面上能分辨清的条纹之间的间距为δ=1.22λ·F其倒数即为理想镜头的分辨率，λ为光的波长，F为光圈系数值NL=1/(1.22λ·F)大多数便宜的镜头分辨率在50lp/mm，相当于水平分辨率700个像素，用于对分辨率要求不高的视觉系统，和相当于VGA级以下分辨率的相机相配。百万像素级以上的镜头，镜头分辨率可达100lp/mm及以上，和相当于水平分辨率达1280的相机相配。光学镜头的主要参数调制传递函数(MTF:ModulationTransferFunction)实际的镜头分辨率比理想镜头的分辨率要低很多。因此通常用MTF来表征镜头的实际分辨率。MTF定义为一定空间频率时像面对比度与物面对比度之比，这里空间频率用单位mm内的线对数来表示。对于同一镜头，不同空间频率处的MTF值是不同的，一般随着空间频率的增大，MTF越来越小，直至为零。MTF为零时的空间频率为镜头的截至频率，也用于表示镜头的实际分辨率光学镜头的主要参数调制传递函数光学镜头的主要参数光学镜头的主要参数影响分辨率的主要因素：镜头结构、材质、加工精度等。其它因素：镜头光圈越大，分辨率越高；光波长度，波长越短分辨率越高；同档次的固定焦距镜头比变焦镜头分辨率高；短焦镜头一般边缘分辨率比中心低，长焦镜头一般中心比边缘分辨率低。影响镜头分辨率的因素影响镜头景深的因素景深和镜头的焦距、光圈、物距有关：光圈越小，景深越大；拍摄距离越大，景深越大；焦距越短，景深越大。镜头的焦距与视场角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。畸变像差只影响成像的几何形状，而不影响成像的清晰度。镜头的畸变畸变定义为实际像高y‘与理想像高yo之差y’-yo‘，而在实际应用中经常将其与理想像高yo‘之比的百分数来表示畸变，称为相对畸变,即镜头的畸变镜头的畸变短焦距镜头一般表现为桶形失真，长焦距镜头一般表现为枕形失真。人眼感觉不到小于2%的畸变。在进行精度较高的测量时，需要校正畸变！镜头的分类定焦距镜头变焦距镜头特殊镜头微距镜头（Macro）显微镜头（Micro）远心镜头（Telecentric）红外线镜头（Infrared）紫外线镜头（Ultraviolet）定焦距镜头按等效焦距分为：鱼眼镜头：6-16mm超广角镜头：17-21mm广角镜头：24-35mm标准镜头：45-75mm长焦镜头：150-300mm超长焦镜头：300mm以上等效焦距：实际焦距×43mm/镜头成像圆的直径镜头的分类微距镜头（MacroIens）按德国的工业标准，成像比例大于1:1的称为微距摄影范畴。这里我们所说的比率指像的大小与实物之间的比例关系，也就是镜头的放大率。35mm标准镜头最大拍摄比率为1:10。事实上放大率在1:1~1:4左右的都属微距镜头，而放大率达到10:1~200:1则属显微镜头。微距镜头使用专门的微距镜头，价格较高但成像质量可以得到保证；带微距档的变焦镜头；使用接圈，通过增加镜筒的长度来改变像距达到放大的目的，根据凸透镜成像原理，当像距增加到二倍焦距处，影像与实物等大。由于接圈使用时放在镜头后面，一是不够灵活，二是影响通光量。微距镜头显微镜头体视显微镜生物显微镜金相显微镜显微镜头视差：对于同样的物体，当靠近眼睛时，会比远离眼睛时显得大一点。这个现象也同样出现在传统的光学系统中，即镜头的放大倍数是随着物距变化而变化的。远心镜头则纠正了传统镜头的误差，它可以在一定距离内，使所成的像的尺寸不会因为距离的变化而改变。远心镜头远心镜头远心指的是一种光学的设计模式：系统的出瞳和入瞳的位置在无限远处。远心镜头物方远心镜头（入瞳位于无穷远）：消除透视畸变远心镜头远心镜头像方远心镜头（出瞳位于无穷远处）：获得更好的像面照度均匀性镜头的接口类型接口类型法兰后截距（mm）卡口环直径（mm）C口17.52625.4CS口12.525.4F口46.547M4247.52642其中，法兰后截距（FlangeBackFocalLength）是指相机接口的定位面到相机靶面的距离。如何选择镜头镜头的基本光学性能由焦距、相对孔径（光圈系数）和视场角（视野）这三个参数表征。因此，在选择镜头时，首先需要确定这三个参数，最主要是确定焦距，然后再考虑分辨率、景深、畸变、接口等其他因素。如何选择镜头选择镜头的基本步骤可以参考以下几条：根据目标尺寸和测量精度，可以确定传感器尺寸和像素尺寸、放大倍率等；根据系统整体尺寸和工作距离，结合放大倍率，可以大概估算出镜头的焦距。焦距、传感器尺寸确定以后，视场角也可以确定下来；根据现场的照明条件确定光圈大小和工作波长；最后考虑镜头畸变、景深、接口等其他要求。如何选择镜头选型示例：被测物体100×100mm，精度要求0.1mm，相机距被测物体在200～400mm之间，要求选择合适的相机和镜头。如何选择镜头分析如下：被测物体是100x100mm的方形物体，而相机靶面通常为4：3的矩形，因此，为了将物体全部摄入靶面，应该以靶面的短边长度为参考来计算视场；系统精度要求为0.1mm，100/0.1=1000，因此相机靶面短边的像素数要大于1000；相机到物体的距离为200～400mm，考虑到镜头本身的尺寸，可以假定物体到镜头的距离为200～320mm，取中间值，则系统的物距为260mm；如何选择镜头选型方案：根据估算的像素数目，可选定大恒CCD相机SV1410FM靶面尺寸2/3英寸(8.8x6.6mm)，分辨率1392x1040，像元尺寸为6.45μm。镜头放大率为β=6.6/100=0.066，可以达到的精度为：像素尺寸/放大率=0.00645/0.066=0.098mm，满足精度要求；根据公式，镜头的焦距为f=L/(1+1/β)=260/(1+1/0.066)=16.1mm则镜头可选择ComputarM1614-MP，其光圈数从F1.4到F16。如何选择镜头如何选择镜头L=260mmfw=8.8mmh=6.6mmW=100mmH=100mm另外一种近似计算方法（根据相似三角形公式）：f/L=h/H=f=Lh/H=260x6.6/100=17.16mmVSf=L/(1+1/β)=Lh/(H+h)=260x6.6/(100+6.6)=16.1mm中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技术分公司谢谢E-mail：[e-mail]