機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中,工業(yè)鏡頭相當(dāng)于人的眼睛,其主要作用是將目標(biāo)的光學(xué)圖像聚焦在圖像傳感器(相機(jī))的光敏面陣上。視覺(jué)系統(tǒng)處理的所有圖像信息均通過(guò)工業(yè)鏡頭得到,工業(yè)鏡頭的質(zhì)量直接影響到視覺(jué)系統(tǒng)的整體性能。下面對(duì)機(jī)器視覺(jué)工業(yè)鏡頭的相關(guān)專業(yè)術(shù)語(yǔ)做以詳解。
一、遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng):
指主光線平行于工業(yè)鏡頭光學(xué)軸的光學(xué)系統(tǒng)。而光從物體朝向鏡頭發(fā)出,與光學(xué)軸保持平行,甚至在軸外同樣如此,則稱為物體側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。
二、遠(yuǎn)心鏡頭:
遠(yuǎn)心鏡頭指主光線與鏡頭光源平行的工業(yè)鏡頭。有物方遠(yuǎn)心,像方遠(yuǎn)心,雙側(cè)遠(yuǎn)心。普通工業(yè)鏡頭
主光線與鏡頭光軸有角度,因此工件上下移動(dòng)時(shí),像的大小有變化。
雙側(cè)遠(yuǎn)心境頭主物方,像方均為主光線與光軸平行光圈可變,可以得到高的景深,比物方遠(yuǎn)心境頭更能得到穩(wěn)定的像最適合于測(cè)量用圖像處理光學(xué)系統(tǒng),但是大型化成本高物方遠(yuǎn)心境頭 只是物方主光線與鏡頭主軸平行工件上下變化,圖像的大小基本不會(huì)變化 使用同軸落射照明時(shí)的必要條件,小型化亦可對(duì)應(yīng) 像方遠(yuǎn)心境頭 只是像方主光線與鏡頭光軸平行
相機(jī)側(cè)即使有安裝個(gè)體差,也可以吸收攝影倍率的變化
用于色偏移補(bǔ)償,攝像機(jī)本應(yīng)都采用這種鏡頭
三、遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的特色:
優(yōu)點(diǎn):更小的尺寸。減少鏡頭數(shù)量,可降低成本。
缺點(diǎn):上下移動(dòng)物體表面時(shí),會(huì)改變物體尺寸或位置。
優(yōu)點(diǎn):上下移動(dòng)物體表面時(shí),不會(huì)改變物體尺寸或位置。使用同軸照明時(shí)。可使用更小的尺寸
缺點(diǎn):未使用同軸照明時(shí),大于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的尺寸
四、遠(yuǎn)心:
遠(yuǎn)心度是指物體的倍率誤差。倍率誤差越小,遠(yuǎn)心度越高。遠(yuǎn)心度有各種不同的用途,在鏡頭使用前,把握遠(yuǎn)心度很重要。遠(yuǎn)心鏡頭的主光線與鏡頭的光軸平行,遠(yuǎn)心度不好,遠(yuǎn)心鏡頭的使用效果就不好;遠(yuǎn)心度可以用下圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的確認(rèn)。
五、分辨率(μm):
光學(xué)系能力的尺度,表示黑白格狀圖案通過(guò)鏡頭觀察時(shí),1mm中可以分辨觀察到黑白條紋的最多對(duì)數(shù)。分辨率為兩點(diǎn)間在無(wú)法識(shí)別前,能靠近的最近距離測(cè)量值,例如1μm的分辨率代表兩點(diǎn)間在無(wú)法識(shí)別前,能靠近的最近距離為1μm。以下為根據(jù)鏡頭的無(wú)相差光衍射情況計(jì)算理論分辨率的公式。
六、分辨力(Lines/mm):
分辯力指黑白網(wǎng)線圖鏡頭里影像內(nèi)1mm面積,可識(shí)別的黑白兩色條紋數(shù)。分辨力的單位為線條/mm,例如100線條/mm代表可識(shí)別黑白間距1/100mm(10μm)。黑白線條的寬度為1/200mm(5μm)。
七、水平TV分辨率(TV線條):
寬度里的黑白水平線總條數(shù),相當(dāng)于電視機(jī)屏幕垂直高度的高度值。屏幕的垂直與水平長(zhǎng)度比率通常為3:4,因此水平寬度里的總條數(shù)為3/4。電視機(jī)水平分辨率為240TV條線,電視機(jī)屏幕水平寬度的總條數(shù)為320條線。測(cè)量鏡頭的分辨率時(shí),一組黑色與白色線條應(yīng)視為一條線,但是在電視機(jī)分辨率線條方面,一組視為2TV線條。
八、失真(%):
失真為光學(xué)軸外的直型物體,呈現(xiàn)曲線時(shí)的鏡頭像差。鏡頭失真也稱為鏡頭畸變,即光學(xué)透鏡固有的透視失真的總稱,可分為枕形失真和桶形失真,直線朝向中心的失真情況為枕形失真(Pincushion Distortion),向外擴(kuò)張的失真稱為桶形失真(BarrelDistortion)。
九、TV失真(%):
TV屏幕上的影像失真。數(shù)值越接近零,牲能越高。
十、電視失真:
實(shí)際邊長(zhǎng)的歪曲形狀與理想的形狀的百分比算出的值。
十一、孔徑效率邊際光量(%):
孔徑效率為使用鏡頭拍攝均勻亮度的物體時(shí),成像盤(pán)光學(xué)軸與四周區(qū)域之間的亮度差異,單位為百分比(%),假設(shè)中央亮度為100,為鏡頭的光學(xué)特征之一。
十二、遮蔽(%):
遮蔽為使用鏡頭與CCD-TV鏡頭拍攝均勻亮度的物體時(shí),電視機(jī)屏幕中央與邊緣之間的亮度差異,單位為百分比(%)。通常使用受光組件與CCD組件的功率比計(jì)算此百分比。遮蔽意指鏡頭與TV鏡頭的整體表現(xiàn),可使用遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)以縮小遮蔽的情況。
十三、色差:
在鏡頭光學(xué)統(tǒng)中,形成影像的位置與影像放大倍率隨光線波長(zhǎng)的不同而不同。不同波長(zhǎng)的光線有不同的顏色,這叫做色彩失真。光學(xué)軸上的失真叫做色彩失真。放大倍率的差異則叫做放大倍率色彩失真。
十四、工作距離(WD)(mm):
工作距離指鏡頭第一個(gè)工作面到被測(cè)物體的距離。
十五、物像間距離O/I(Object to Imager)
OI指物體到結(jié)像平面的距離。
十六、焦距f(mm)后焦距/前焦距
焦距為光學(xué)系統(tǒng)的主光點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離。從最后一片鏡頭的頂點(diǎn)到后焦點(diǎn)的距離,為后焦距。從第一片鏡頭的頂點(diǎn)到前焦點(diǎn)的距離,為前焦距。
十七、景深:
深度為與物體從最佳焦點(diǎn)前后移動(dòng)時(shí).出現(xiàn)最銳利焦點(diǎn)的最近點(diǎn)與最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的距離。物體側(cè)的深度范圍稱為景深。同樣,照相機(jī)側(cè)的范圍稱為焦點(diǎn)深度。具體的景深的值多少略有不同。景深(Depthof Field)可以用以下的計(jì)算式計(jì)算出來(lái):
景深= 2 x Permissible COC x 實(shí)效F/ 光學(xué)倍率2 = 允許誤差值/ (NA x 光學(xué)倍率)(使用的是0.04mm的PermissibleCOC)
通過(guò)鏡頭的影像理論土?xí)纬牲c(diǎn)狀。清晰影像上出現(xiàn)可接受的摸糊情況,稱為可接受的彌散圓。
十八、焦深:
深度為當(dāng)CCD從最佳焦點(diǎn)前后移動(dòng)時(shí),出現(xiàn)最銳利焦點(diǎn)的最近點(diǎn)與最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的距離。影像側(cè)的深度范圍稱為焦深。
十九、后截距(mm):
從鏡頭安裝座盤(pán)前端到影像的距離。
二十、C安裝座規(guī)格:
名稱標(biāo)準(zhǔn)外徑螺絲螺紋數(shù)(25.4mm用)后截距
U1 25.4000mm32Threads 17.526mm
二十一、數(shù)值孔徑 NA,NA':
當(dāng)物體在入射光孔上產(chǎn)生的半角為u,且折射率為n,nx sinu為物體側(cè)數(shù)值孔經(jīng)(NA)。
當(dāng)物體在出射光孔上產(chǎn)生的半角為u',且折射率為n',n'x sinu' 為影像側(cè)數(shù)值孔徑{NA')。
NA=n x sinuNA'=n'x sin u'
NA越高,鏡頭的分辨率與亮度越佳。如下圖所示入射角度 u, 物體側(cè)折射率n,成像側(cè)的折射率' n':NA= NA' x 放大率
對(duì)于Macro鏡頭,NA=M/2 xFNA' = 1/2 xFNA=NA'x光學(xué)倍率 NA'=NA x光學(xué)倍率
二十二、F值F No:
此值指鏡頭的亮度。將鏡頭對(duì)焦距離除以物體側(cè)的有效直徑(入射光孔直徑Dmm),即可得到此數(shù)值,也可使用NA與鏡頭的光學(xué)放大倍率(β)計(jì)算。數(shù)值越小,鏡頭越明亮。FNo=焦距/入射孔徑或有効口徑=f/D
二十三、有效F No:
此值為具體在有限距離內(nèi)的鏡頭亮度,指實(shí)際操作時(shí)的亮度。光學(xué)放大倍率越高(β),鏡頭越暗。
實(shí)效F= (1 +光學(xué)倍率) x F#,實(shí)效F= 光學(xué)倍率 / 2NA
二十四、光學(xué)放大倍率β:
物體尺寸與影像尺寸的比例。
β =y'/y
=b/a
=NA/NA'
=CCD鏡頭元件尺寸/視野實(shí)際尺寸
二十五、光學(xué)倍率:
放大倍率(Magnification)指的是通過(guò)鏡頭的調(diào)整能夠改變拍攝對(duì)象原本成像面積的大小。光學(xué)倍率就是通過(guò)光學(xué)鏡頭變倍的放大倍率。主要點(diǎn)與成像的關(guān)系:放大率是指成像大小與物體的比。
二十六、電子放大倍率:
電子放大倍率為影像在顯示器屏幕上顯示時(shí)與在CCD上顯示相比的放大倍率。
二十七、顯示器放大倍率:
顯示器放大倍率為通過(guò)鏡頭在顯示器呈現(xiàn)物體的放大倍率。
顯示器放大倍率=(光學(xué)放大倍率β)x (電子放大倍率)
(計(jì)算范例)光學(xué)放大倍率=02x,CCD尺寸1/2"(對(duì)角線8mm),顯示器1/4":
電子放大倍率=14x25.4/8=44.45
顯示器放大倍率=0.2x44.45=8.89(倍)(1英寸=25.44mm)
※有時(shí)根據(jù)TV監(jiān)視器的掃描狀態(tài),以上的簡(jiǎn)易計(jì)算將有一些變化。
二十八、視野(FOV):
視野指使用照相機(jī)以后看到的物體側(cè)的范圍。
照相機(jī)有效區(qū)域的縱向長(zhǎng)度(V)/光學(xué)倍率(M)=視野(V)
照相機(jī)有效區(qū)域的橫向長(zhǎng)度(H)/光學(xué)倍率(M)=視野(H)
照相機(jī)有效區(qū)域的縱向長(zhǎng)度(V)or(H)=照相機(jī)一個(gè)畫(huà)素的尺寸×有効畫(huà)素?cái)?shù)(V)or(H)來(lái)計(jì)算。
(計(jì)算范例) 光學(xué)放大倍率=0.2x,CCD尺寸1/2"(長(zhǎng)4.8mm,寬6.4mm}:
視野尺寸長(zhǎng)度=4.8/0.2=24(mm)
寬度=6.4/0.2=32{mm)
二十九、解析度:
表示了所能見(jiàn)到了2點(diǎn)的間隔0.61x使用波長(zhǎng)(λ)/ NA=解析度(μ),以上的計(jì)算方法理論上可以計(jì)算出解析度,但不包括失真。※使用波長(zhǎng)為550nm
三十、解像力:
1mm中間可以看到黑白線的條數(shù)。單位(lp)/mm
三十一、MTF(Modulation TransferFunction):
成像時(shí)再現(xiàn)物體表面的濃淡變化而使用的空間周波數(shù)和對(duì)比度。
三十二、成像圈:
成像尺寸φ,要輸入相機(jī)感應(yīng)器尺寸。
三十三、照相機(jī) Mount:
C-mount: 1"diameter x 32 TPI: FB: 17.526mm,CS-mount:1" diameter x 32 TPI: FB: 12.526mm,F-mount:FB:46.5mm,M72-Mount:FB 廠家各有不同。
三十四、邊緣亮度:
相對(duì)照度是指中央的照度與周邊的照度的百分比。
三十五、通風(fēng)盤(pán)及解析度:
Airy Disk(通風(fēng)盤(pán))是指通過(guò)沒(méi)有失真的鏡頭在將光集中一點(diǎn)時(shí),實(shí)際上形成的是一個(gè)同心圓。這個(gè)同心圓就叫做AiryDisk。Airy Disk的半徑r可以通過(guò)以下的計(jì)算公式計(jì)算出來(lái)。這個(gè)值稱為解析度。r=0.61λ/NA Airy Disk的半徑隨波長(zhǎng)改變而改變,波長(zhǎng)越長(zhǎng),光越難集中于一點(diǎn)。例:NA0.07的鏡頭波長(zhǎng)550nmr=0.61*0.55/0.07=4.8μ
三十六、 MTF 及解析度:
MTF(ModulationTransfer Function) 是指物體表面的濃淡變化,成像側(cè)也被再現(xiàn)出來(lái)。表示鏡頭的成像性能,成像再現(xiàn)物體的對(duì)比度的程度。測(cè)試對(duì)比性能,用的是具有特定空間周波數(shù)的黑白間隔測(cè)試。空間周波數(shù)是指1mm的距離濃淡變化的程度。
黑白矩陣波,黑白的對(duì)比度為100%.這個(gè)對(duì)象被鏡頭攝影后,成像的對(duì)比度的變化被定量化?;旧?,不管什么鏡頭,都會(huì)出現(xiàn)對(duì)比度降低的情況。最終對(duì)比度降低至0%。,不能進(jìn)行顏色的區(qū)別。
顯示了物體側(cè)與成像側(cè)的空間周波數(shù)的變化。橫軸表示空間周波數(shù),縱軸表示亮度。物體側(cè)與成像側(cè)的對(duì)比度由A、B計(jì)算出來(lái)。MTF由A,B的比率計(jì)算出來(lái)。
解析度與MTF的關(guān)系:解析度是指2點(diǎn)之間怎樣被分離認(rèn)識(shí)的間隔。一般從解析度的值可以判斷出鏡頭的好壞,但是實(shí)際是MTF與解析度有很大的關(guān)系。圖4顯示了兩個(gè)不同鏡頭的MTF曲線。鏡頭a解析度低但是具有高對(duì)比度。鏡頭b對(duì)比度低但是解析度高。
三十七、微距鏡頭:
不用近接環(huán)或特寫(xiě)鏡頭而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大攝影,為近接攝影而設(shè)計(jì)的鏡頭,有限遠(yuǎn)(=從物鏡出射的光,在一定距離處聚焦)
三十八、CCTV鏡頭:
適合于廣范圍的擴(kuò)大觀察,需要嚴(yán)格精度時(shí)不適合,無(wú)限遠(yuǎn)(=從物鏡出射的光,不聚焦,平行前進(jìn))
三十九、變倍鏡頭:
焦距可變鏡頭,倍率,攝像范圍等可以簡(jiǎn)單改變。適合于需要尋找最合適攝影條件(攝影距離,鏡頭的焦距)以便于操作的場(chǎng)合使用。不產(chǎn)生聚焦位置移動(dòng)的稱為變倍鏡頭,產(chǎn)生焦距位置移動(dòng)的稱為變焦鏡頭。
四十、成像圓:
光學(xué)系統(tǒng)中成像圓的尺寸,成像圓的尺寸=CCD對(duì)角尺寸,和CCD尺寸同樣意義。
四十一、后變倍鏡頭:
安裝在CCD前面,不改變工作距離,擴(kuò)大視野范圍。F值下降,分辨率、對(duì)比度下降,聚焦會(huì)有些不準(zhǔn)。
四十二、前變倍鏡頭:
安裝在鏡頭前面,工作距離會(huì)變化,亮度不變,擴(kuò)大視野范圍。