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鏡頭墊圈,墊片和焦距擴展器

鏡頭墊圈,墊片和焦距擴展器

成像資源指南第7.1部份

有時,應用需要鏡頭應用超過其設計的使用範圍,或者精準地達到其理論設計規格。鏡頭間隔環,墊片和增距鏡這幾個簡單的工具能夠使用戶輕鬆實現這類要求。延伸環和增距鏡能夠改變定焦鏡頭的視場或工作距離,而墊片可用於精密的調整遠心鏡頭的工作距離。

鏡頭間隔環

大多數定焦鏡頭具有完整的機械結構,允許於不同工作距離下對焦。設計的定焦性質意味著鏡頭會在設定的範圍內移動,從而決定可能對焦的工作距離。此預先界定的範圍係根據鏡頭設計來選擇的,因為鏡頭會在為其專用範圍內表現出最佳效能。但是,在需要較小的視場或較短工作距離時,為了適合特定應用,可以將鏡頭的工作距離範圍延伸。透過在相機和鏡頭之間加裝間隔環來調整鏡頭最短工作距離,鏡頭表現最佳成像性能會因使用工作距離範圍不一樣而產生差異。因為工作距離變短和當初設計正常應用條件不一樣,在運用到任何成像系統之前需要仔細評估。

一般來說,加入間隔環的主要目的是增加視覺系統的放大倍率或縮短工作距離;這兩個變化會接連發生,並可由高斯成像方程式來說明。公式1顯示了像距(I)、物距(O)和鏡頭焦距(f)之間的關係。請注意,物距為負數。透過增加像距,物距(鏡頭的工作距離)必須減小。根據公式2,當工作距離與像距發生變化時,放大倍率(PMAG)也必須發生變化(有關放大倍率的更多資訊,詳見物空間分辨率)。圖7.1直觀地顯示了這種效應。成像鏡頭為更複雜的系統,間隔環使用的計算則更複雜。

Equation 1 (1)
Equation 2 (2)
An Illustration of the relationship between image and object
distance (I and O respectively) and lens focal length (f).
圖1: 像距及物距(分別為I和O)與鏡頭焦距 (f)之間關係的圖解。

工作距離減小和放大倍率增加(視場減小)是在光學系統中使用間隔環的兩個最明顯的優勢。選擇正確的間隔環將視應用而不同,不妨來看個例子,使用35mm焦距鏡頭與帶11mm間隔環的相同35mm鏡頭比較。間隔環的結果見表 1

在我們的範例中,間隔環對系統的最重要影響是工作距離減少了大半,而放大倍率增加了兩倍以上。在空間受限的系統中,使用此類間隔環也比較有利,因為總長(從圖像平面到物件平面的長度)會減小。

 No Spacer11mm Spacer
Focal Length 35mm 35mm
Lens Length 41mm 52mm
Image Distance 42.9mm 53.9mm
Object Distance 190.9mm 100mm
Working Distance 165mm 74.1mm
Total Track 223.5mm 143.6mm
Magnification 0.22X 0.54X
Field of View (½") 28.5mm 11.88mm

表1: 對比相同35mm焦距鏡頭(於最小工作距離下對焦)在使用和不使用間隔環時的規格。採用間隔環成像性能嚴重下降。

還必須考慮間隔環對光學系統產生的效能影響。加入間隔環前鏡頭物理上操作的工作距離範圍一般為最佳效能基於光學設計基準,並且效能通常會隨使用間隔環改變這些距離而下降。使用上例相同的鏡頭,圖2和3顯示了鏡頭於最小工作距離(圖2)和在2/3”傳感器上於f/4下使用11mm間隔環(圖3)時的MTF曲線。根據經驗,若間隔環的使用其長度超過焦距一半以上,不建議使用。

若使用得當,間隔環是一種延伸鏡頭並根據特定應用對其進行調整的絕佳方式,前提是要記住其限制和效能下降。將光線的波長範圍限制為單色有助於解決這些問題。做為最佳範例,於其設計範圍內使用鏡頭是實現最優效能的最佳選擇。較長焦距的鏡頭使用間隔環的效果較佳,因為它們與較短焦距的鏡頭相比,通常採用更為簡單的設計,並且必須對要考慮使用間隔環的系統進行仔細分析,然後再導入。

35mm focal length lens at the minimum designed working distance.
圖2: 於最小設計工作距離下的35mm焦距鏡頭。
35mm focal length lens with 11mm spacer.
圖3: 使用11mm間隔環時的35mm焦距鏡頭。

墊片

墊片的基本功能與延伸環相同,不過更適用於固定倍率鏡頭,如遠心鏡頭。墊片相當於非常薄的(0.025 - 1.0mm)不銹鋼延伸環,用於精確控制工作距離,以保證設計的系統能擁有最佳成像質量。

鏡頭承靠面距離的定義為相機接環到傳感器平面的距離,不過由於公差的存在,它與標示設計距離相比可能略有變化。這種相對於標示值的偏差源於相機的外殼設計及其內部傳感器位置的公差。我們可能需要一個精確或自定義的距離來控制以下規格:工作距離,圖像質量或一個系統到另一個系統的可重複性。墊片作為一種很薄的間隔環,可以放置在鏡頭和相機之間來調整此距離。

當成像距離變化時,成像品質也可能會變化,如果成像距離偏離理論設計距離太多,MTF可能會發生明顯的模糊或下降。例如,當一個鏡頭接到不同的相機時,極易發生這種現象。即使相機和鏡頭使用的都是同一種型號,相機之間仍然存在很小的不同,這可能會導致每個新系統組裝時,工作距離或成像品質的變化。在這種情況下,可以使用墊片進行微調,使MTF和對焦重新回到最佳水平。在每個新系統的安裝時,需要對成像距離進行微調,這就是為什麼許多遠心鏡頭帶有墊片的原因。利用這種方法,從一個系統到下一個系統,每個系統的關鍵光學參數,軟體設定和校正程序都能保持一致。

遠心鏡頭通常適用於需要高階製造測量的應用,或者用於獲取待測物體的某個視圖。通常,這些應用中包含各種各樣的問題,例如擺動的機器人手臂的工作距離有限,附近有污染,或因為新的測量系統必須適配現有機械佈局,從而導致整體空間十分有限。與鏡頭間隔環相似,在遠心鏡頭後面增加或移除墊片可以平衡像距,物距,和焦距(圖1)之間的關係,並將工作距離調整到有效範圍內。在單色應用中,墊片也可用於補償或重新聚焦,解決焦點偏移的問題(參見第6節)。墊片可幫助用戶精確控製成像距離,為其應用提供最佳解決方案。

增距鏡 / 增倍鏡

增加機器視覺系統的放大倍率的另一方式是使用增距鏡。增距鏡類似於鏡頭間隔環,因為它們二者都是被置於鏡頭背面和相機之間。但是,增距鏡不會改變鏡頭使用的工作距離範圍;增距鏡包含一組負鏡片,可依一個倍率系數變更機器視覺鏡頭的焦距。例如,使用2X增距鏡的25mm焦距鏡頭將具有50mm的有效焦距,因此於相同工作距離範圍內具有其原始視場的一半。

增距鏡的另一大優勢是,它們相互堆疊,並且對鏡頭焦距具有倍增效果。例如,25mm焦距鏡頭在與1.5X和2X的兩個增距鏡結合使用時,將具有75mm的新焦距,因為75是由25、1.5和2之間相乘得出的。

同樣地,使用間隔環使用會有些妥協的結果,當使用增距鏡時,應考慮圖像品質可能下降。由於鏡頭中的各個單獨的鏡片全部已經過特別設計和研究,在光學效能方面可以達到互補;向光學系統額外加入一個負鏡片會降低效能,因為此鏡片會引入額外的光學像差而鏡頭設計無法對其進行互補。增距鏡還可經由變更f/#來降低光通量。例如,2X的增距鏡將降低四倍的光通量。在採用增距鏡前,應考慮圖像品質的潛在負面影響。

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