机器视觉 - 工业镜头选型

工业镜头基本知识

对焦环:调整它改变内部镜头组的相对位置。
光圈环:调整进光量的大小

FA镜头

90%以上的场景使用,通用性高。

接口

镜头接口选型时要注意和相机的接口匹配。
常见的有C口、M口、CS口,大多数是C口的。
C口和CS口的主要区别是后截距不同。
CS口相机,想接C口镜头,加装5mm垫圈即可解决。
M口相机主要是M12、M42、M58、M72,后面的数字代表接口直径。

分辨率

有关镜头镜片解析力的参数。
镜头上标注的100LP/mm或150LP/mm是表示分辨率的参数,代表1mm的距离内能分辨出100对或150对黑白相间的线条。数值越高,代表该镜头解析力越强,镜头越清晰。
为了方便选型,一般是型号后面的10MP、20MP表示像素值。镜头的像素值一定要大于等于相机的像素值。

靶面

镜头常见的靶面尺寸包括1/1.8”、2/3”、1.1”。
和像素选型原则一样,镜头的靶面尺寸一定要大于等于相机的靶面尺寸,否则照片周围出现黑圈,造成像素浪费、影响算法识别、边缘失真。

光圈

影响进光量和景深。
f值越小,光圈孔径越大,进光量越多,画面越亮。
例如f1.4和f2.8,f1.4是大光圈,进光量更多。

景深是指镜头在最佳聚焦时,画面中能够清晰成像的景物范围。
景深示意图
小光圈,大景深;大光圈,小景深。
对于高低落差比较大的零件,要用小光圈,画面会变暗,增加补光,把全部细节都拍出。
光圈调节原则:
1、优先开到最大光圈(平面零件)。
2、需要大景深再调小(表面不平,牺牲画面亮度)。
3、动态拍摄选大光圈(曝光时间需要短)。

焦距

常见的焦距包括8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm等
控制视野拍摄的大小。
焦距越大,拍摄的视野越小。焦距越小,拍摄视野越大。
鱼眼镜头(焦距2~3mm),视野很大,但是畸变也很大。
镜头焦距计算,需要知道两个值:视野大小、安装距离、焦距,公式为:
$$
视野尺寸 = \frac{相机传感器尺寸×工作距离}{镜头焦距}
$$
在实际的项目中,通常知道视野和工作距离,计算焦距。
例:工作距离200mm,视野要求160mm×80mm,用的相机传感器是6.4mm×4.8mm,计算相机焦距。
$$短边焦距 = \frac{4.8×200}{80} = 12mm$$
$$长边焦距 = \frac{6.4×200}{160} = 8mm$$
选择焦距更小的那一个边,即8mm,否则会出现长边拍不全的问题。
如果没有计算出焦距的镜头,要选择更小焦距的镜头,有更大的视野。

镜头选型时,还要注意最小工作距离,指镜头到产品之家的最小对焦安全距离。
例如,8mm焦距镜头的最小工作距离为0.1m,50mm焦距镜头的最小工作距离为0.4m,即焦距越大,最小工作距离越大。如果低于最小工作距离,会对不上焦。

广角镜头可能有畸变,精度项目别用(焦距小于8mm的镜头),至少选择大于12mm的镜头

所有的FA镜头都有畸变,大焦距镜头的畸变只是比较小。

远心镜头

高精度检测场景使用,解决FA镜头的视差和误差。
远心镜头分为物方远心、像方远心和双侧远心三种。
特点:
1、景深浅
2、无光圈调节

物方远心镜头

物体前后移动几个毫米,拍出来的画面大小不变,可以达到丝级精度。

像方远心镜头

像距发生变化,放大倍数不变,使用较少。

双侧远心镜头

物距和像距发生改变,放大倍数也不会变化。
精度可以到2微米之内。

接口

镜头的接口,必须和相机的接口一致。
一寸一下选择C口即可,大靶面选择M口。

靶面

镜头靶面要大于等于相机靶面

工作距离

工作距离在出场时就确定好了,如果安装距离和工作距离不一致,可能导致使用时画面很模糊。

倍率

远心镜头使用倍率控制视野大小,没有焦距这个参数。公式为:
$$
视野尺寸 = \frac{相机传感器尺寸}{镜头倍率}
$$
根据公式,镜头倍率越大,拍出来的视野范围越小。
$$
相机传感器尺寸 = 像元尺寸 × 像素值
$$

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