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工业镜头基本参数和选型介绍

一、工业镜头的主要参数:

工业镜头参数

视场(FOV):受检测物体的可视区域。整个物体中填充相机传感器的部分。

工作距离(WD): 从镜头前端到受检测物体之间的距离。

分辨率:可透过成像系统区分的物体的最小特征尺寸。

景深(DOF): 在可接受焦距范围内显示的最大物体深度。DOF也是在保持 聚焦状态的同时,允许物体移动(从最佳焦距前后移动)的距离。

传感器尺寸: 相机传感器有效区的尺寸,一般会在水平尺寸中指定。此参数在确定取得理想视场所需的适当镜头放大倍率时至关重要。

主要放大倍率 (PMAG):镜头的主要放大倍率定义为传感器尺寸与视场之间的比例。虽然传感器尺寸与视场为基础参数,但是必须注意的一点 是,主要放大倍率并不是基础参数之一。

                                             传感器尺寸 (mm)

主要放大倍率 PMAG =---------------------------------

                                              视场 (mm)

 

二、了解焦距与视场

    固定焦距镜头,也称为传统或近心镜头,是一款具有固定视场角 (AFOV)的镜头。尽管视角保持不变,但通过针对不同工作距离调整镜 头焦距,仍可获得不同大小的视场(FOV)。AFOV通常被指定为搭配镜 头使用的传感器的水平尺寸(宽度)相关的全角(以度为单位)。

    注意:不应将固定焦距镜头与定焦镜头相混淆。固定焦距镜头能够 针对不同距离调节镜头焦距;而定焦镜头则设计用于单一、特定的工 作距离。定焦镜头的示例包括多款远心镜头和显微镜物镜。

    镜头焦距可定义其视场角。对于给定的传感器尺寸,焦距越短,镜头的视场角越宽。此外,镜头的焦距越短,获得与焦距较长的镜头相同的视场所需的距离越短。对于简单、薄凸的镜头,焦距为镜头后面到置于镜头前无限远的物体所形成的影像平面之间的距离。从此定义中可以看出,镜头的视场角与焦距有关(方程式1.2),其中,f是焦距(以毫米为单位),h是传感器的水平尺寸(以毫米为单位) (图1.3)。





    但是,焦距一般从镜头的后主平面(很少位于成像镜头的后实体 面)进行测量;这是导致使用近轴方程式计算出的工作距离只是近似值的原因之一,系统仅应采用计算机模拟生成的数据或取自镜头规格 表的数据进行机械设计。通过镜头计算器进行近轴计算是加快镜头选 择过程的良好出发点,但是应谨慎使用所得出的数值。     使用固定焦距镜头时,有三种方式可以更改系统(相机和镜头)的视场。第一种,通常也是最简单的选项,是更改从镜头到物体之间的 工作距离;让镜头远离物体平面可增大视场。第二个选项是,将正在 使用的镜头置换为不同焦距的镜头。第三个选项是,更改所用传感器的尺寸;对于相同的工作距离,较大的传感器会产生的较大的视场(如方程式1.2所定义)。


    尽管通常采用非常宽的视场角会很方便,但也有一些负面影响需要考虑。首先,某些短焦距镜头出现的失真程度会显著影响实际视场角,并且可能会由于不同程度的失真导致与工作距离(WD)相关的角度发生变化。其次,与长焦距镜头选项相比,短焦距镜头一般很难获得最高水平性能。此外,短焦距镜头可能难以覆盖中到大型的传感器尺寸的传感器,这限制了其可用性。

   改系统视场的另一种方法是使用变焦镜头或变倍镜头;这些类型的镜头允许调节焦距,因此具有可变的视场角。相较于固定焦距镜头,变焦镜头和变倍镜头在尺寸和成本方面存在弊端,并且通常无法提供与固定焦距镜头同等的性能。

 

三、使用工作距离和视场来确定焦距

     在许多应用中,物体所需的距离以及所需的视场(通常为具有额外缓冲空间的物体尺寸)为已知量。此信息可用于通过方程式1.3中所示的公式来直接确定所需的视场角,其中,WD是从 镜头端开始的工作距离,AFOV是视场角。方程式1.3相当于查找一个高度等于工作距离,底边等于水平视场的三角形的顶角(如图1.4所示)。注意:实际上,这个三角形的顶点很少会位于镜头的前实体面,即我们测量工作距离的起始位置,而且仅应用作近似值,除非入瞳位置已知。


    尽管通常采用非常宽的视场角会很方便,但也有一些负面影响需要考虑。首先,某些短焦距镜头出现的失真程度会显著影响实际视场角,并且可能会由于不同程度的失真导致与工作距离(WD)相关的角度发生变化。其次,与长焦距镜头选项相比,短焦距镜头一般很难获得最高水平性能。此外,短焦距镜头可能难以覆盖中到大型的传感器尺寸的传感器,这限制了其可用性。

   改系统视场的另一种方法是使用变焦镜头或变倍镜头;这些类型的镜头允许调节焦距,因此具有可变的视场角。相较于固定焦距镜头,变焦镜头和变倍镜头在尺寸和成本方面存在弊端,并且通常无法提供与固定焦距镜头同等的性能。

 

三、使用工作距离和视场来确定焦距

     在许多应用中,物体所需的距离以及所需的视场(通常为具有额外缓冲空间的物体尺寸)为已知量。此信息可用于通过方程式1.3中所示的公式来直接确定所需的视场角,其中,WD是从 镜头端开始的工作距离,AFOV是视场角。方程式1.3相当于查找一个高度等于工作距离,底边等于水平视场的三角形的顶角(如图1.4所示)。注意:实际上,这个三角形的顶点很少会位于镜头的前实体面,即我们测量工作距离的起始位置,而且仅应用作近似值,除非入瞳位置已知。




确定所需的视场角后,即可使用方程式计算出焦距的近似值,然 后在镜头规格表或数据表中,通过寻找最接近的可用焦距(具有适合所使用传感器的必要视场角)来选择适当的镜头。

 示例1得出的14.25°(请参考该页下方白框中的内容)可用于确定所需的镜头,但还必需选择传感器尺寸。随着传感器尺寸增加或减少,镜头图像的利用量也会随之改变;这会改变系统的视场角,进而改变整个视场。对于相同焦距,传感器越大,所获得的视场角就越大。例如,25mm镜头可以与½”(水平尺寸为6.4mm)的传感器配合使用,35mm镜头可以与2/3”(水平尺寸为8.8mm)   的传感器配合使用,因为它们都会在各自的传感器上生成大约14.5°的视场角。

    或者,如果已经选定传感器,则可以直接通过视场和工作距离确定焦距,方法是将方程式1.2代入方程式1.3(如方程式1.4所示)。



其中,是传感器水平尺寸(水平像素数量乘以像素大小),f是镜头焦距,两者均以毫米为单位;视场和工作距离必须以相同的单位制测 量。如前文所述,应考虑对系统的工作距离提供一定的弹性,因为以上示例只是一阶近似值,并且也没有将失真考虑在内。
 
 
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