如何選擇可變放大倍率鏡頭
成像資源指南第7.5部份
選擇成像鏡頭時,必須了解成像系統的基本系統參數(詳情請參閱 (see 成像系統中的6種基本參數)。在正確選擇鏡頭之前,至少要考慮工作距離、視場和分辨率等因素。
在此討論中,可以假設定焦鏡頭、變焦鏡頭和微距鏡頭具有相同的工作原理,可以依照相同的方式進行選擇。假設變焦鏡頭規定了具體焦距,且其變焦功能已鎖定。
所有可變放大倍率鏡頭都是根據公式 1 進行對焦,
其中 z’ 為像距(可視為成像平面和最後一個鏡片的距離);z 為物距(或對焦物體和前方鏡頭鏡片的距離);f 為鏡頭焦距。這是一種近似公式,其假定條件為鏡頭厚度為零;以此說明像距和物距的關係。對於給定焦距,隨著物距(工作距離)增加,像距則會減小。
對於單透鏡鏡片,比如平凸透鏡或雙凸透鏡,該公式有助於在給定物距和像距情況下確定正確的焦距。但在採用多鏡片鏡頭的機器視覺系統中(如圖 1所示),該公式具有以下幾個不足之處:不能說明視場;由於無法在機器視覺鏡頭中量測像距,因此難以確定焦距。
透過採用放大倍率公式,即公式 2,
其中 h’ 和 h 分別為成像平面尺寸(通常是傳感器尺寸)和視場,就可以重新將公式1 轉化成一種更有用的形式,如公式3 所示。
公式 3 提供了一種快速容易確定具體應用需要何種焦距鏡頭的方法,但前提條件是給出了視場和傳感器尺寸等基本參數。
圖 1 及 2 顯示了具有不同焦距的鏡頭在採用不同傳感器(對應於單獨的 y 軸)時根據公式 3 所產生的視場大小。
圖 1:不同焦距鏡頭及其採用 ⅓” 和 1/1.8” 傳感器時的視場大小。
圖 2: 不同焦距鏡頭及其採用 ⅔” 和 1” 傳感器時的視場大小。
這些直線圖有助於在已選定相機的情況下,確定機器視覺鏡頭的正確焦距:只需沿著 x 軸至所需工作距離處,透過相應的 y 軸(取決於所用傳感器)確定座標平面上的焦點位置。選用鏡頭時,最好先從形成焦點的最近一個鏡頭開始調查,這可以顯著縮小鏡頭選擇範圍。
此外,這些圖還能說明機器視覺系統中有關定焦鏡頭的一些要點。第一,由於光學設計的緣故,焦距較長的鏡頭具有較長的最小工作距離。在鏡頭與相機之間加入間隔環可縮短最小工作距離,但最終會降低影像品質(請參閱鏡頭間隔環,墊片和增距鏡以了解更多資訊)。第二,在使用相同的焦距鏡頭時,較大的傳感器能提供較大的視場。例如在 350mm的工作距離情況下,⅔” 傳感器的 12mm 鏡頭具有約 370mm 的視場,但對於相同工作距離的 1” 傳感器,視場則約為 530mm,即增加了 43%。最後,圖中間隙代表市面上沒有標準的現貨定焦鏡頭。例如在 600mm 工作距離使用具有可用焦距的 ⅔” 傳感器,將無法達到 525mm 視場。其中最接近的鏡頭為 8.5mm 焦距,需要在大約510mm 的工作距離使用,以達到前面的視場。
這些圖只是為具體應用縮小鏡頭選擇範圍的第一步。它們不能解決圖像品質、畸變、相對照度或成像鏡頭的其他重要品質問題;它們只能提供相對於傳感器尺寸的視場大小。有關如何依照分辨率選擇鏡頭的更多詳情,請參閱根據分辨率選擇鏡頭。
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