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光学镜头

光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件,直接影响成像质量的优劣,影响算法的实现和效果。光学镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头,长焦镜头;从视场大小分有广角、标准,远摄镜头;结构上分有固定光圈定焦镜头,手动光圈定焦镜头,自动光圈定焦镜头,手动变焦镜头、自动变焦镜头,自动光圈电动变焦镜头,电动三可变(光圈、焦距、聚焦均可变)镜头等。

对于相机,镜头的好坏一直是影响成像质量的关键因素,数码相机当然也不例外。虽然由于数码相机的CCD分辨率有限,原则上对镜头的光学分辨率要求较低;但另一方面,由于数码相机的成像面积较小(因为数码相机是成像在CCD上,而CCD的面积较传统35毫米相机的胶片小很多),因而需要镜头保证一定的成像素质。举例来说,对某一确定的被摄体,水平方向需要200个像素才能完美再现其细节,如果成像宽度为10mm,则光学分辨率为20线/mm的镜头就能胜任,如果成像宽度为1mm,则要求镜头的光学分辨率必须在200线/毫米以上。另一方面,传统胶卷对紫外线比较敏感,外拍时常需要加装UV镜,而CCD对红外线比较敏感,镜头增加特殊的镀层或外加滤镜也会大大提高成像质量。镜头的物理口径也是必须要考虑的,且不管其相对口径如何,其物理口径越大,光通量就越大,数码相机对光线的接受和控制就会更好,成像质量也就越好。

商用或家用数码相机的镜头,部分厂家采用了相对比较好的镜头。富士相机采用了170线/毫米解析度的专业富士龙镜头,这种内置的新型富士龙镜头比大多数SLR镜头更清晰。不仅在精度上保证了图象拍摄的品质,而且其镜头错误率也达到令人惊异的0.3-, 较一般的数码相机低2/3。

另外在部分数码相机中,还提供了远距广角两种镜头方式。这在您选择数码相机时,也是一个参考的指标。

在传统的数码相机中,广角镜头是一种焦距短于标准镜头、视角大于标准镜头、距长于鱼眼镜头、视角小于鱼眼镜头的摄影镜头。广角镜头又分为普通广角镜头和超广角镜头两种。135照相机普通广角镜头的焦距一般为38-24毫米,视角为60-84度;超广角镜头的焦距为20-13毫米,视角为94-118度。由于广角镜头的焦距短,视角大,在较短的拍摄距离范围内,能拍摄到较大面积的景物。所以,广泛用于大场面风摄影作品的拍摄。在摄影创作中,使用广角镜头拍摄,能获得以下几个方面的效果:一是能增加摄影画面的空间纵深感;二是景深较长,能保证被摄主体的前后景物在画面上均可清晰的再现。所以,现代绝大多数的袖珍式自动照相机(俗称傻瓜照相机)采用38-35毫米的普通广角镜头;三是镜头的涵盖面积大,拍摄的景物范围宽广;四是在相同的拍摄距离处所拍摄的景物,比使用标准镜头所拍摄的景物在画面中的影像小;五是在画面中容易出现透视变形和影像畸变的缺陷,镜头的焦距越短,拍摄的距离越近,这种缺陷就越显著。

商用级的数码相机中多使用与普通35 mm相机相同的普通广角镜头,由于其在景深深,拍摄范围广等优点,因而在选择数码相机时,同样性能的数码相机,能够具有广角和远距的数码相机将会性能更好一些。

固定光圈定焦镜头

简单:镜头只有一个可以手动调整的对焦调整环,左右旋转该环可使成像在 CCD靶面上的图像最清晰;没有光圈调整环,光圈不能调整,进入镜头的光通量不能通过改变镜头因素而改变,只能通过改变视场的光照度来调整。结构简单,价格便宜。

手动光圈定焦镜头

手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环,光圈范围一般从F1.2或F1.4到全关闭,能方便地适应被被摄现场地光照度,光圈调整是通过手动人为进行的。光照度比较均匀,价格较便宜。

自动光圈定焦镜头

在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个齿轮合传动的微型电机,并从驱动电路引出 3或4芯屏蔽线,接到摄像机自动光圈接口座上。当进入镜头的光通量变化时,摄像机 CCD 靶面产生的电荷发生相应的变化,从而使视频信号电平发生变化,产生一个控制信号,传给自动光圈镜头,从而使镜头内的电机做相应的正向或反向转动,完成调整大小的任务。

手动光圈变焦镜头

焦距可变的,有一个焦距调整环,可以在一定范围内调整镜头的焦距,其可变比一般为2 ~3倍,焦距一般为3.6~8mm。实际应用中,可通过手动调节镜头的变焦环,可以方便地选择被监视地市场的市场角。但是当摄像机安装位置固定下以后,在频繁地手动调整变焦是很不方便的。因此,工程完工后,手动变焦镜头的焦距一般很少调整。仅起定焦镜头的作用。

自动光圈电动变焦镜头

与自动光圈定焦镜头相比增加了两个微型电机,其中一个电机与镜头的变焦环合,当其转动时可以控制镜头的焦距;另一电机与镜头的对焦环合,当其受控转动时可完成镜头的对焦。但是由于增加了两个电机且镜片组数增多,镜头的体积也相应增大。

电动三可变镜头

与自动光圈电动变焦镜头相比,只是将对光圈调整电机的控制由自动控制改为由控制器来手动控制。

按视场大小分:

(约50度左右),广角镜头和特广角镜头(100-120度)

标准镜头

视角约50度,也是人单眼在头和眼不转动的情况下所能看到的视角,所以又称为标准镜头。5mm相机的标准镜头的焦距多为40mm,50mm或55mm。120相机的标准镜头焦距多为80mm或75mm。CCD芯片越大则标准镜头的焦距越长。

广角镜头

视角90度以上,适用于拍摄距离近且范围大的景物,又能刻意夸大前景表现强烈远近感即透视。35mm 相机的典型广角镜头是焦距28mm,视角为72度。120相机的50,40mm的镜头便相当于35mm相机的35,28mm的镜头.

长焦距镜头

适于拍摄距离远的景物,景深小容易使背景模糊主体突出,但体积笨重且对动态主体对焦不易。35mm 相机长焦距镜头通常分为三级,135mm以下称中焦距,135-500mm称长焦距,500mm 以上称超长焦距。120 相机的150mm的镜头相当于35mm相机的105mm镜头。由于长焦距的镜头过于笨重,所以有望远镜头的设计,即在镜头后面加一负透镜,把镜头的主平面前移,便可用较短的镜体获得镜体获得长焦距的效果。

反射式望远镜头

是另一种超望远镜头的设计,利用反射镜面来构成影像,但因设计的关系无法装设光圈,仅能以快门来调整曝光。

微距镜头(marco lens)

除作极近距离的微距摄影外,也可远摄。

C型镜头

法兰焦距是安装法兰到入射镜头平行光的汇聚点之间的距离。法兰焦距为17.526mm或0.690in。安装罗纹为:直径1in,32牙.in。镜头可以用在长度为0.512in (13mm)以内的线阵传感器。但是,由于几何变形和市场角特性,必须鉴别短焦镜头是否合用。如焦距为12.6mm的镜头不应该用长度大于6.5mm的线阵。如果利用法兰焦距尺寸确定了镜头到列阵的距离,则对于物方放大倍数小于20倍时需增加镜头接圈。接圈加在镜头后面,以增加镜头到像的距离,以为多数镜头的聚焦范围位 5-10-。镜头接长距离为焦距/物方放大倍数。

CS型镜头

With a 5 mm adapter ring, a C lens can be used on a CS-mount camera.

U型镜头

一种可变焦距的镜头,其法兰焦距为47.526mm或1.7913in,安装罗纹为M42×1。主要设计作35mm照片应用(如国产和进口的各种135相机镜头),可用于任何长度小于 1.25in(38.1mm)的列阵。建议不要用短焦距镜头。

特殊镜头

如显微放大系统。 要特别注意 CS和 C的差别,不同类型的camera 和不同类型的 Len连接时,要定制转接环。国外很贵,一个约,不如自己加工。光学镜头的主要参数和评价 主要参数有焦距,视场,物距,光圈,快门等。 对于镜头最完

善的评价莫过于MTF (Modulation Transfer Function)。但是由于像差(标定的原因),镜头的每个范围都有一个MTF值。这些范围指的是:(1)近轴部分,(2)离轴部分,(3)当光学系统存在不对称畸变时,上述两部分在不同方向上的子部分。每个部分对于不同的辐射能量波长范围,都有各自相应的MTF值。MTF是评价成像系统的最常用、最优的指标,也是指导机器视觉系统集成的最优指标。

聚焦和光圈
  景深:被摄体周围适度清晰聚焦的范围对最终影象的出现起着至关重要的作用。为了充分利用镜头上提供的所有光圈,可把照相机固定在三脚架上,以防照相机抖动。

f/光圈数和光圈大小

调定在某一f/光圈数时的任何种类的镜头能够透射过几乎相同 光量的影象,因为光阑直径直接与焦距相关,例如,一只80毫米的镜头在使用5毫米的光阑直径时,光圈必定调节在f/16上。因此镜头的焦距在除以光阑直径后,就得到相应的f/光圈数。

焦距标记

调节调焦环螺纹,镜头从照相机处伸出,随着调焦环的转动,通过放认对准固定参看符号的标记,你就可以发现正在调节的焦距。

光圈调节

向上转动光圈环至下一个f/光圈数(例如从f/4到f/5.6),光圈大小减半(即达到胶片的光量减半);向下转动光圈环至下一个f/光圈数(例如从f/4到f/2.8)。光圈大小增加一倍。

景深范围

随着镜头对被摄体聚焦,可在固定参看符号两边寻找对应于(或接近)己调定的光圈f/数,辨认焦距标记下相对的数值,便可决定有效景深。

景深的作用

光圈大小的改变:通过相同焦距的镜头对相同距离的被摄体聚焦,该示说明光圈大小的调整是如何改变景深的。一般来说,被摄体的前景深扩大1/3,后景深则扩大2/3,光圈越小,景深越大。F/2光圈的景深远远小于f/16光圈的景深。

被摄体至照相机的距离:即使采用同样的焦距和光圈,景深在一定程度上如何受制于被摄体至照相机的距离。被摄体距照相机越近,景深就越小。镜头对15英尺(4.5米)处聚焦所产生的景深比镜头对5英尺(1.5米)处聚焦所产生的景深要大得多。

镜头的改变:在相同物距 和光圈的情况下,使用不同焦距的镜头可改变景深,镜头焦距越短,最深越大,对于超广角镜(8---15毫米),景深非常大,以致无需调焦,因为每一级光圈的景深都是清晰。

光学工业镜头广泛用于反射度极高的物体定位检测,如:金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测,芯片和硅晶片的破损检测,MARK点定位,玻璃割片机、点胶机、SMT检测、贴版机等工业精密对位、定位、零件确认、尺寸测量、工业显微等CCD视觉对位、测量装置等领域。

放大率问题:光学镜头放大率问题,很多客户可能对镜头放大率不了解或者认识不多,所以造成了对镜头使用的错误操作或者选购不到合适的镜头,因此,普密斯光学针对这一问题进行专业的讲述,希望可以帮助大家更好的理解镜头参数问题。


  放 大 率 光学放大率
  影像大小相对于物体的放大率
  β=y’/y
  =b/a
  =NA/NA’
  =CCD相机元素尺寸/视场实际尺寸
  
  电子放大率
  电子放大率是用相机拍照成像在CCD上的像呈现在显示器的放大倍数
  
  显示器放大率
  显示器放大率是被拍物体通过镜头成像显示在显示器上的放大倍数
  显示器放大率=(光学放大率)×(电子放大率)
  例子:光学放大率=0. 2X, CCD大小1/2(对角线长8mm),显示器14〃
  电子放大率=14×25.4/8=44.45(倍)
  显示器放大率=0.2×44.45=8.89(倍) (1寸=25.4mm)
  
  视场
  视场是镜头与CCD相机连接时物体可被看见的范围大小
  视场的大小是:(CCD格式大小)/(光学放大率)
  例子:光学放大率=0.2X,CCD1/2〃(4.8mm长,6.4mm宽)
  视场大小 :长=4.8/0.2=24(mm)
  宽=6.4/0.2=32(mm)

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