工業(yè)鏡頭原理及選型指導(dǎo)

視覺系統(tǒng)技術(shù)指南掌握最新的應(yīng)用技術(shù)介紹您是否對(duì)圖像處理感興趣？您是否想過自動(dòng)控制生產(chǎn)線上的視覺檢測(cè)？您是否曾考慮使用視覺傳感器，但由于使用困難而放棄？如果您對(duì)其中任何一個(gè)問題表示肯定，則本指南將提供針對(duì)工廠自動(dòng)化的專業(yè)圖像處理解決方案?；驹砭礴R頭2023/2/41東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇●

鏡頭的產(chǎn)品分類●

光圈●

對(duì)應(yīng)最大CCD尺寸●

接口

●

景深●工作距離●放大率●視野表的使用方法●接環(huán)●

鏡頭選型要點(diǎn)本講義主要內(nèi)容：2023/2/42東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇透鏡的產(chǎn)品分類一般鏡頭高分辨率低倍變焦鏡頭

非遠(yuǎn)心鏡頭

低倍鏡頭

低倍變焦鏡頭

高性能線陣CCD低倍鏡頭金屬顯微鏡鏡頭用同軸組件

CCTV鏡頭

2023/2/43東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇遠(yuǎn)心鏡頭固定放大倍率

變焦鏡頭

MML-HR系列

MML-ST系列&MML固定放大倍率系列

高放大倍率MML

(x10,x15,x20)

透鏡的產(chǎn)品分類2023/2/44東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇鏡頭主要參數(shù)1、焦距（FocalLength）

焦距是從鏡頭的中心點(diǎn)到膠平面上所形成的清晰影像之間的距離。焦距的大小決定著視角的大小，焦距數(shù)值小，視角大，所觀察的范圍也大；焦距數(shù)值大，視角小，觀察范圍小。根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類。2、光圈(Iris)

用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來衡量。每個(gè)鏡頭上都標(biāo)有最大F值，例如8mm

/F1.4代表最大孔徑為5.7毫米。F值越小，光圈越大，F(xiàn)值越大，光圈越小。3、對(duì)應(yīng)最大CCD尺寸(SensorSize)

鏡頭成像直徑可覆蓋的最大CCD芯片尺寸。主要有：1/2″、2/3″、1″和1″以上。4、接口(Mount)

鏡頭與相機(jī)的連接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。5、景深(DepthofField,DOF)

景深是指在被攝物體聚焦清楚后，在物體前后一定距離內(nèi)，其影像仍然清晰的范圍。景深隨鏡頭的光圈值、焦距、拍攝距離而變化。光圈越大，景深越??；光圈越小、景深越大。焦距越長(zhǎng)，景深越?。唤咕嘣蕉?，景深越大。距離拍攝體越近時(shí)，景深越??；距離拍攝體越遠(yuǎn)時(shí)，景深越大。

2023/2/45東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇鏡頭主要參數(shù)6、分辨率(Resolution)

分辨率代表鏡頭記錄物體細(xì)節(jié)的能力，以每毫米里面能夠分辨黑白對(duì)線的數(shù)量為計(jì)量單位：“線對(duì)/毫米”（lp/mm）。分辨率越高的鏡頭成像越清晰。7、工作距離(Workingdistance,WD)

鏡頭第一個(gè)工作面到被測(cè)物體的距離。8、視野范圍(FieldofView,FOV)

相機(jī)實(shí)際拍到區(qū)域的尺寸。9、光學(xué)放大倍數(shù)(Magnification,?)

CCD/FOV，即芯片尺寸除以視野范圍。10、數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)

數(shù)值孔徑等于由物體與物鏡間媒質(zhì)的折射率n與物鏡孔徑角的一半（a\2）的正弦值的乘積，計(jì)算公式為N.A=n*sina/2。數(shù)值孔徑與其它光學(xué)參數(shù)有著密切的關(guān)系，它與分辨率成正比，與放大率成正比。也就是說數(shù)值孔徑，直接決定了鏡頭分辨率，數(shù)值孔徑越大，分辨率越高，否則反之。11、后背焦(Flangedistance)

準(zhǔn)確來說，后倍焦是相機(jī)的一個(gè)參數(shù)，指相機(jī)接口平面到芯片的距離。但在線掃描鏡頭或者大面陣相機(jī)的鏡頭選型時(shí)，后倍焦是一個(gè)非常重要的參數(shù)，因?yàn)樗苯佑绊戠R頭的配置。不同廠家的相機(jī)，哪怕接口一樣也可能有不同的后倍焦。2023/2/46東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇光圈

光圈（FNo)是一個(gè)用來控制光線透過鏡頭，進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面的光量的裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達(dá)光圈大小我們是用f值。對(duì)于已經(jīng)制造好的鏡頭，我們不可能隨意改變鏡頭的直徑，但是我們可以通過在鏡頭內(nèi)部加入多邊形或者圓型，并且面積可變的孔狀光柵來達(dá)到控制鏡頭通光量，這個(gè)裝置就叫做光圈

光圈f值=鏡頭的焦距/鏡頭口徑的直徑

從以上的公式可知要達(dá)到相同的光圈f值，長(zhǎng)焦距鏡頭的口徑要比短焦距鏡頭的口徑大。完整的光圈值系列如下:

f1，f1.4，f2，f2.8，f4，f5.6，f8，f11，f16，f22，f32，f44，f64

這里值得一提的是光圈f值愈小，在同一單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)光量便愈多，而且上一級(jí)的進(jìn)光量剛是下一級(jí)的兩倍，例如光圈從f8調(diào)整到f5.6，進(jìn)光量便多一倍，我們也說光圈開大了一級(jí)。

光可透過的寬度（有效口徑）開放F值=1有效口徑=焦點(diǎn)距離117.8mm25mm≒1.42023/2/47東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇圖片為ML-2514（焦點(diǎn)距離f=25mm），開放F值設(shè)為1.4（光圈環(huán)上最小的數(shù)字）。調(diào)節(jié)鏡頭上的螺絲光圈變化示意圖

(上圖紅色區(qū)域調(diào)節(jié)后變化）光圈2023/2/48東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇對(duì)應(yīng)最大CCD尺寸選型要點(diǎn)：攝像機(jī)鏡頭規(guī)格應(yīng)視CCD尺寸而定，兩者應(yīng)相對(duì)應(yīng)。大概：

★CCD靶面大小為2／3英寸時(shí)，鏡頭應(yīng)選2／3英寸。

★CC

D靶面大小為1／2英寸時(shí)，鏡頭應(yīng)選1／2英寸。

★CCD靶面大小為1／3英寸時(shí)，鏡頭應(yīng)選1／3英寸。

總之，鏡頭尺寸≧相機(jī)芯片尺寸原因：如果鏡頭尺寸比CCD靶面尺寸大時(shí)，將使圖像視野比鏡頭視野小，即不能很好地利用鏡頭的視野；如果鏡頭尺寸比CCD靶面尺寸小時(shí)，將發(fā)生“隧道效應(yīng)”，即圖像有圓形的黑框，像在隧道里拍的一樣。1inch=16mm≠25.4mmCCD尺寸大小2023/2/49東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇接口鏡頭和攝像機(jī)之間的接口有許多不同的類型，工業(yè)攝像機(jī)常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徠卡接口、M42接口、M50接口等。接口類型的不同和鏡頭性能及質(zhì)量并無直接關(guān)系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各種常用接口之間的轉(zhuǎn)接口。C接口和CS接口是工業(yè)攝像機(jī)最常見的國際標(biāo)準(zhǔn)接口，為1英寸－32UN英制螺紋連接口，C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的，區(qū)別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。所以CS型接口的攝像機(jī)可以和C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用C口鏡頭時(shí)需要加一個(gè)5mm的接圈；C型接口的攝像機(jī)不能用CS口的鏡頭。F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標(biāo)準(zhǔn)，所以又稱尼康口，也是工業(yè)攝像機(jī)中常用的類型，一般攝像機(jī)靶面大于1英寸時(shí)需用F口的鏡頭。V接口鏡頭是著名的專業(yè)鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標(biāo)準(zhǔn)，一般也用于攝像機(jī)靶面較大或特殊用途的鏡頭。

接口類型后截距螺紋尺寸CMount17.526mm25.4mm32tpithreadCSMount12.5mm25.4mm32tpithreadFMount46.5mm卡口KMount45.5mm卡口基本接口使用2023/2/410東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇景深

要使光圈對(duì)準(zhǔn)有進(jìn)深的工件時(shí)，在要對(duì)準(zhǔn)的距離前后的某個(gè)范圍內(nèi)，看起來似乎光圈聚焦。這個(gè)范圍稱為景深。

實(shí)際上，即使是在景深內(nèi)，圖像也有些模糊，但是這個(gè)模糊的大小如果在一定范圍內(nèi)（用圓的大小來定義，稱為容許彌散圓），那么即使肉眼觀察也不會(huì)發(fā)現(xiàn)模糊。

一般而言，光圈的聚焦范圍較廣時(shí)稱為“景深較深”，較窄時(shí)稱為“景深較淺”。即使使用相同的透鏡，景深也并不是一直相同。1.

透鏡的光圈越小，景深就越深。（光圈值越大）（光圈的聚焦范圍較廣）2.

透鏡的焦點(diǎn)距離越短（如同廣角透鏡），景深越深。3.

透鏡和工件之間的距離越遠(yuǎn)，景深越深。4.對(duì)于光圈恰好聚焦的點(diǎn)，相較于前方（距離較近的一側(cè)），后方（距離較遠(yuǎn)的一側(cè)）的景深更深。景深的變化GOODGOODGOODGOOD2023/2/411東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇工作距離

工作距離（WD）是從鏡頭的物體側(cè)鏡筒前部到被拍照物體的距離。WDWDWD2023/2/412東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇放大率光學(xué)放大率光學(xué)放大率影像太小相對(duì)于物體的放大率。

β=y’/y

=b/a

=NA/NA’

=CCD相機(jī)元素尺寸/視場(chǎng)實(shí)際尺寸

電子放大率用相機(jī)拍照成像在CCD上的像呈現(xiàn)在顯示器的放大倍。

顯示器放大率顯示器放大率是被拍物體通過鏡頭成像顯示在顯示器上的放大倍數(shù)。顯示器放大率＝（光學(xué)放大率）×（電子放大率）例子:光學(xué)放大率＝0.2X,CCD大小1/2（對(duì)角線長(zhǎng)8mm）,顯示器14〃

電子放大率＝14×25.4/8＝44.45（倍）

顯示器放大率＝0.2×44.45＝8.89（倍）（1寸＝25.4mm）

視場(chǎng)視場(chǎng)的大小是:（CCD格式大小）/（光學(xué)放大率）。例子:光學(xué)放大率＝0.2X，CCD1/2〃（4.8mm長(zhǎng)，6.4mm寬）

視場(chǎng)大小:長(zhǎng)＝4.8/0.2＝24（mm）

寬＝6.4/0.2＝32（mm）2023/2/413東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇失真使用望遠(yuǎn)透鏡（焦點(diǎn)距離較長(zhǎng)的透鏡）時(shí)，會(huì)發(fā)生枕形失真的現(xiàn)象，即拍攝的圖像從周圍向中心部分收縮。使用廣角透鏡（焦點(diǎn)距離較短的透鏡時(shí)，會(huì)出現(xiàn)桶形失真的現(xiàn)象，即拍攝的圖像的周圍部分膨脹，而整體呈圓形。尤其是圖像的邊緣部分的失真較明顯。枕形失真桶形失真拍攝工件時(shí)，通過透鏡所獲得的圖像并不一定能夠忠實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際的工件的形狀。這就是所謂的失真。失真是光軸外的直線物體在成像時(shí)產(chǎn)生彎曲的現(xiàn)象，屬于鏡頭的像差。失真有二種情況，枕形失真和桶形失真。注意：①由于枕形失真不像桶形失真那么明顯，因此平常無需太過擔(dān)心。②執(zhí)行尺寸測(cè)量等檢查的情況下，請(qǐng)選擇焦點(diǎn)距離f=25mm以上的焦點(diǎn)距離較長(zhǎng)的透鏡。2023/2/414東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)

遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)是指相對(duì)于光軸，主光線保持平行的光學(xué)系統(tǒng)。Moritex指的是物體側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭特點(diǎn)匯總?cè)缦?/p>

主光線與光軸平行（遠(yuǎn)心度）的情況下，由于不產(chǎn)生攝像角度，因此工件上下移動(dòng)的情況下，焦點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)模糊，但是光學(xué)倍率不會(huì)發(fā)生變動(dòng)（大小不會(huì)發(fā)生變化），因此工件上有進(jìn)深，或者在攝像機(jī)發(fā)生振動(dòng)等的條件下測(cè)量尺寸、定位、識(shí)別走線等時(shí)最適宜使用遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。另外，同時(shí)使用遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)和同軸落射照明系統(tǒng)時(shí)，由于能夠捕捉到鏡面狀工件上微妙反射率的區(qū)別，因此能獲得最佳光學(xué)系統(tǒng)，來判別、測(cè)量、識(shí)別半導(dǎo)體晶片和玻璃基板上的污漬、指紋、傷痕、ID標(biāo)記等。但是，也存在形狀較大，價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。2023/2/415東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇使用圖像檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢查的情況下，因用戶不同，工件的大小和想要檢查的范圍不同，因此視野的大小也各不相同?！耙曇啊笔侵甘褂脭z像機(jī)拍攝的，圖像檢測(cè)設(shè)備的檢查范圍。視野表的使用方法2023/2/416東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇在此使用“視野表”來學(xué)習(xí)攝像機(jī)和透鏡的設(shè)定方法，對(duì)事先決定的視野進(jìn)行拍攝。視野表的使用方法2023/2/417東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇視野表的使用方法：步驟①首先來決定視野的大小。確定視野的大小時(shí)，需要在考慮工件的大小、位置偏離、移動(dòng)速度等的基礎(chǔ)上，由最終進(jìn)行檢查的人員（客戶）來確定。視野表的使用方法2023/2/418東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇視野表的使用方法：步驟①首先來決定視野的大小。例如，視野的垂直方向的大?。ǚQ為“垂直視野”）需要設(shè)為10mm

，接下來，視野的水平方向的大?。ǚQ為“水平視野”）設(shè)為13-15mm

。視野表的使用方法2023/2/419東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇視野表的使用方法：步驟②接下來，確定與工件之間保持多遠(yuǎn)的距離來進(jìn)行檢查。在哪里安裝圖像檢測(cè)設(shè)備？這也是客戶決定的內(nèi)容。例如，安裝攝像機(jī)時(shí)，受到設(shè)備上的限制（有天花板等，不能安裝到較遠(yuǎn)的位置），想要盡量靠近工件進(jìn)行檢查的情況下，根據(jù)視野表選擇WD值最小的產(chǎn)品。那么上述二種不同的WD可根據(jù)客戶的要求進(jìn)行選擇。同樣我們可以選擇接環(huán)的大小。攝像機(jī)

特寫環(huán)透鏡：f

視野表的使用方法WD2023/2/420東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇為在各種視野、與工件之間保持各種距離的狀態(tài)下能夠執(zhí)行檢查，圖像檢測(cè)設(shè)備所使用的攝像機(jī)上，采用了可更換透鏡的構(gòu)造。攝像機(jī)上對(duì)更換的透鏡進(jìn)行固定的部分稱為接環(huán)。圖像檢測(cè)設(shè)備中使用一般的CCTV透鏡，這些透鏡具有兩種規(guī)格的接環(huán)：C-mount或者CS-mount?！鵆CTV（ClosedCircuitTeleVisionsystems：閉路電視系統(tǒng)）是指有別于一般播放的電視信號(hào)，而是通過同軸電纜等來連接電視攝像機(jī)及電視接收機(jī)。能夠僅為特定的觀眾播放節(jié)目的電視系統(tǒng)。除監(jiān)視系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)等外，還包括FA的檢查系統(tǒng)。接環(huán)2023/2/421東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇為在各種視野、與工件之間保持各種距離的狀態(tài)下能夠執(zhí)行檢查，圖像檢測(cè)設(shè)備所使用的攝像機(jī)上，采用了可更換透鏡的構(gòu)造。攝像機(jī)上對(duì)更換的透鏡進(jìn)行固定的部分稱為接環(huán)。凸緣面（該面連接到攝像機(jī)的接環(huán)）凸緣后圈成像面

（CCD

的拍攝元件面）如上圖所示，說明了凸緣面、成像面。另外，凸緣后圈是指從凸緣面到成像面的距離。接環(huán)2023/2/422東莞市速美達(dá)自動(dòng)化有限公司余靜宇為在各種視野、與工件之間保持各種距離的狀態(tài)下能夠執(zhí)行檢查，圖像檢測(cè)設(shè)備所使用的攝像機(jī)上，采用了可更換透鏡的構(gòu)造。攝像機(jī)上對(duì)更換的透鏡進(jìn)行固定的部分稱為接環(huán)。凸緣面（該面連接到攝像機(jī)的接環(huán)）凸緣后圈成像面

（CCD的拍攝元件面）凸緣后圈的長(zhǎng)度根據(jù)各個(gè)接環(huán)規(guī)定如下。C-mount透鏡=17.526mm、CS-mount透鏡＝12.5mm實(shí)際上，由于C