工业镜头选型

文章目录

镜头选型相关参数镜头选型相关参数之间的关系
从应用角度考虑选型镜头性能镜头型号镜头应用场景从应用角度考虑选型非远心镜头应用场景分析远心镜头应用场景分析相机与镜头的适配性

镜头的配件棱镜棱镜的作用棱镜的应用场景
接圈扩倍镜接圈于扩倍镜的区别保护镜
项目应用案例

镜头选型相关参数

镜头选型相关参数之间的关系

在镜头选型时，需要考虑的参数有很多，他们之间往往是相互影响，不可分割的关系

根据计算公式，在已知相机芯片尺寸，工作距离(WD)和视野(FOV)的情况下

可以计算出所需镜头的焦距(f)

焦距的计算公式：

焦距f=物距WD x 相机芯片尺寸(H or V) / 视野范围(FOV)

同理：在镜头焦距，相机芯片尺寸确定，最小视野范围已知的情况下，我们也可以计算出合理的工作距离(WD)

工作距离WD=f(焦距) x 视野(FOV) / CCD芯片尺寸

在项目评估的过程中，我们对镜头的所有选型，都是以满足项目需求为出发点，来进行合理选择

参数选择的注意事项：

视野范围：在选型时，通常选择比测量的实际产品尺寸略大，这样既保证了项目检测的需求，又保证了成本和测量精度

工作距离：确定相机的实际工作距离，决定着镜头的焦距和相机芯片尺寸的选择

镜头焦距：镜头的焦距的选择要考虑到视野范围和成像的放大倍率，工作距离等各项参数需求后，来最终计算确定的

相机芯片尺寸：需要考虑视野范围的需求，与镜头的适配性等

从应用角度考虑选型

镜头性能

选择合适的镜头，对成像效果至关重要。因为在选型时，通常根据应用场景，测量精度要求，景深要求，工作距离，成本预算等多方面考虑，最终确定选用的镜头类型

市面上常见的镜头分为两大类：非远心镜头和远心镜头

非远心镜头优缺点：尺寸较小，成本低，工作距离也可以根据多种镜头进行组合搭配，它的缺点是检测精度相对较低，景深相对较浅

远心镜头的优缺点：远心镜头具有检测精度高，超高的景深，超低的畸变等优点，它的缺点是工作距离固定，尺寸较大，成本较高.

镜头型号

根据不同型号镜头的详细参数表，来确定选用的型号

非远心镜头常用的参数有：焦距，靶面，最小物距，分辨率，景深等

远心镜头的焦距通常是固定的，在出厂时已经确定，不可以更改，因此在远心镜头的选型时，通常需要考虑的参数有放大倍率，工作距离，景深等

镜头应用场景

在选用不同类型的镜头时，需要明确其使用的场景及需求

①当检测面在同一个高度，通常在满足精度需求的情况下，处于成本和工作空间考虑，选用非远心镜头，来进行工作

②当检测面不在同一高度，形成阶梯差，容易带来成像精度误差，对景深有着非常苛刻要求，那么在镜头选型时，推荐使用超宽景深的远心镜头，因为它可以消除近大远小的透视误差

从应用角度考虑选型

非远心镜头应用场景分析

①检测同一平面

以下图为例：当检测面在同一高度时，非远心镜头即可满足需求

由于被检测字体在同一水平面，因此对镜头的景深要求不高，我们使用非远心镜头即可满足需求

②对精度无特殊要求

检测目标穴位有无物料，灰度判定，引导取料，检测精度不高，非远心镜头即可满足

当确定选用非远心镜头后，根据应用场景又有很多的细分，来满足不同的场景

③物体拍摄距离近，能够展现物体细微结构，优先使用微距镜头(抗振微距：ML-MCHR系列)

④工作距离范围灵活，组合多样，而且对景深和精度要求不高，优先使用CCTV镜头(CCTV:ML-M-UR系列)

远心镜头应用场景分析

①检测不同平面

以下图为例：当检测面不在同一高度，远心镜头是最佳的选择

两个检测面都要求清晰成像，那么超宽景深的远心镜头，无疑是最佳选择

②精度要求高

当需要高精度的测量尺寸或检测大小时，推荐使用远心镜头，能够有效消除目标物体因透视和位置的差异，而带来的近大远小误差

规格相同的螺母使用非远心镜头进行拍照时，因拍摄目标位置远近，造成了成像大小不一的透视误差，而使用远心镜头则可以有效的避免和消除这种现象

当确定选用远心镜头后，根据应用场景又有很多的细分，来满足不同的需求

③双侧远心镜头：体积较大，工作距离近，放大倍率偏小，但是它的视野相对比较大

④物方远心镜头：体积较小，景深更宽，成像的放大倍率可以配置，缺点是视野较小

我们在根据应用场景进行镜头选型时，综合思路应该是根据景深和精度需求，来首先确定使用非远心镜头还是远心镜头，再根据对应系列镜头的各种特点，进行细分，最终完成镜头型号的选型

相机与镜头的适配性

①相机与镜头接口

工业相机镜头接口种类很多，常用的接口有C型，CS型和F口等等，接口类型的不同和工业相机镜头性能，质量并无直接关系，仅仅是接口方式不一样

同时需要注意，C型镜头+5mm接圈也可以适配CS型接口，但是CS型镜头不匹配C型相机

②镜头最大兼容CCD芯片尺寸

所有镜头都只能在一定的范围内清晰成像，最大兼容CCD尺寸指镜头能支持的最大清晰成像的范围

在实际选择相机和镜头时，要注意：镜头的最大兼容CCD尺寸≥相机芯片尺寸，相机的性能有没有得到充分的释放和利用

如图所示，相同型号的镜头，来匹配不同芯片尺寸的相机，

当镜头最大兼容尺寸≥相机芯片尺寸时，相机能够正常取像

当相机芯片尺寸>镜头最大兼容尺寸时，成像效果为中间正常取像，四周都是黑影，之所以造成这种现象，是因为镜头视场角小，视野范围不足，并不能满足相机完整取像的需求，

通过参数查看可知，2/3“靶面镜头，可以适配2/3”相机芯片

而1/2.5″及以下的相机芯片虽然可以使用，但是基于成本和精度考虑，建议合理使用，避免资源浪费

在相同CCD芯片尺寸下，选择不同型号镜头的成像差异

一般情况下，我们推荐镜头选用，比被拍摄物体略大的视野即可

同样的相机，不同的视野

图一 视野大，四周的黑色区域并不是我们需要计算的地方，对成像的性能和资源造成了浪费，被拍摄物体分辨率低，细节表现不佳

图二 视野小，比被拍摄物体略大，那么相同的特征所占用的像素格数量越多，它的特征变化也就越精细，也会呈现出更多的细节变化(被拍摄物体分辨率高，呈现更多细节),图二的检测精度相对来说是更高的

③ 像元尺寸适配性

我们以常见的500W相机为例，计算出它的像元尺寸

像元尺寸=感光器芯片尺寸/像素个数

像元尺寸：实际上指的就是图像传感器上，每个像素对应的实际物理大小，也就是我们经常说的分辨率。

0.003395mm≈8.8mm/2592 pixel

相机的像元尺寸： 0.003395mm*1000=3.395 um (毫米换算成微米)

相机的像元尺寸经过计算为3.395微米，而镜头所支持的最大像元尺寸为3.5微米，镜头所支持的最大像元尺寸，略大于相机像元尺寸，因此我们可以推算出，以下型号的镜头，均适配于500万像素的相机，

有些时候，镜头的参数表中，并未标注镜头支持的最大像元尺寸，而是解像力的形式来表示。我们可以对相机的像元尺寸进行转换，来查看镜头和相机像元尺寸的适配性，利用公式来计算出相机的极限空间分辨率。

相机的极限空间分辨率计算公式： 像素尺寸= ，单位是“线对/毫米”，可计算出相机的极限分辨率: 1/(2*0.003395)=147.27 lp/mm

镜头的解像力必须高于相机的极限空间分辨率，这样才能让相机实现最佳成像性能

上述参数表中，镜头解像力为150lp/mm,大于相机极限空间分辨率147.27 lp/mm

结论：以上类型的镜头均适配500w像素的相机

镜头的配件

当镜头选型过程中，除了考虑到适配性，检测精度以及镜头型号外，还需要考虑视觉系统的工作空间和成本等各种外在因素

当视野和工作距离受到限制，正常取像不能满足项目需求时，巧妙的利用各种镜头配件，也能达到非常好的成像效果

合理的使用配件，可以使整套视觉系统在不同的场景下，更具适应性和实用性。

棱镜

棱镜通常安装在镜头前方

棱镜的作用

①改变光路方向：在项目中最常用，可以将光线以一定角度折射或反射，改变光路的方向，使得相机能够从不同的角度获取到目标的图像

②分光：可以将一束入射光分解成不同波长(颜色)的光，用于对特定颜色的检测

③图像翻转或旋转：对图像进行翻转，倒置，旋转等操作。

棱镜的应用场景

第一种应用场景：当需要两个相机，同时拍摄两个很小的目标，相机和镜头由于本身尺寸问题，无法竖直安装，我们可以在两个镜头前，各安装一个棱镜，利用其光路折射，来巧妙完成同时取像，这种情况一般使用的是远心镜头，因为远心镜头，它的超宽景深和超低畸变，可以有效避免光路转换过程中，产生的图像扭曲和变形等问题

第二种应用场景：如果分别对上下两个产品进行拍摄，通常情况下，需要使用两个相机分别进行拍摄，如果使用这种T形棱镜，可以上下移动相机，进行两次拍照，这样既满足了项目需求，又节约了大量的成本和空间

接圈

接圈也被称为延长环或转接环，是连接相机和镜头的中间配件，通常为圆环状，规格通常为2毫米，5毫米以及8毫米等等。

思考：镜头和相机之间，如果增加2mm接圈，对镜头焦距，物距，视野等参数，会造成影响吗？

无接圈

增加2mm接圈后，视觉系统的物距变小，像距增加，焦距没有改变

焦距于物距像距之间的关系：

注释:f是镜头的焦距，u代表物距，v代表像距

由公式并结合上图可知，增加接圈，实际上增加了像距v，在焦距不变的情况下，如果想要清晰成像，物距u必须减小，工作距离减少，视野范围同样跟着缩小

结论：在相机镜头中间增加接圈，不会改变镜头焦距，但会减小视野范围，减小工作距离

使用接圈，对成像的影响

1.像距增大

2.工作距离变小

3.视野变小

接圈的缺点：

1.使景深变小

2.会使镜头的光强衰弱（指的是光线在进入镜头，到达相机芯片过程中，由于距离增加，光线的强度会有很少的衰减，只需要增加相机的曝光时间或者曝光强度，即可弥补）

扩倍镜

扩倍镜：又叫增距镜或者增倍镜，将图像放大

不使用扩倍镜的情况下的正常取像

在使用扩倍镜后，我们可以看到，焦距明显增加，视场角变小，视野范围也跟着变小

使用扩倍镜后，对镜头成像的影响

1.焦距变长：物距不变的情况下，放大倍率增加，想要清晰成像，视野会变小

2.扩展拍摄可能性：焦距变长，工作距离也会增大，在某些情况下，能实现一些原本难以拍摄到的画面

3.成像特征：图像被放大

扩倍镜的缺点：

1.降低画质：由于图像被放大，景深变小，可能会导致图像质量下降，如清晰度降低，色彩偏差等

2.价格较高：相对其他镜头配件，扩倍镜价格较高

接圈于扩倍镜的区别

接圈和扩倍镜同样是安装在镜头和相机中间，它们的外形相似，但作用及应用场景相差很大

注：扩倍镜的使用，一般都是建立在物距不变的基础上，将图像放大；焦距增加，物距也增加的特殊情况，不在本次讨论范围之内

接圈：工作距离受限时，可以使用接圈来缩短工作距离以及与相机接口适配等

扩倍镜：工作距离不变，将视野中目标进行放大，展现更多细节和特征。

保护镜

主要作用

1.防止损伤：能有效避免镜头直接接触灰尘，水汽，刮擦等，起到物理保护

2.减少磨损：降低镜头表面因日常使用而产生的磨损

3.保持清洁：一定程度上减少污渍粘附，便于清洁维护镜头

选择注意事项：

1.适配镜头口径：确保保护镜的口径与镜头的口径一致，否则无法安装

2.高透光率：选择透光率高的保护镜，以避免影响画面的亮度和清晰度

项目应用案例

案例1：检测物体表面的字符

已知被测物体长度为50mm，使用Cognex 500W 像素相机，工作距离为300mm。根据需求对镜头进行选型

选型思路：

镜头类型：检测的字符在同一平面，使用非远心镜头即可满足需求

接口类型：已知Cognex五百万像素的相机接口为C口，因此在选择镜头时，也必须选择C口，

像元尺寸：相机像元尺寸为3.395um,因此，镜头选择像元尺寸时，需大于等于相机的像元尺寸

镜头焦距：根据已知条件和计算公式可得镜头焦距为66毫米

考虑到目标物体在视野内的波动，一般建议视野范围保留部分余量，所以视野长边必须大于50mm,这样才能保证成像的完整性，选择大于66mm的中长焦镜头，即满足项目需求

案例2：检测物体表面的字符

已知被测物体长度20mm，使用Cognex 500W 像素相机，工作距离为150mm。根据需求对镜头进行选型

马达为圆柱状，被检测面是一个弧面，需要一定的景深，可以选择使用远心镜头，Cognex500万像素相机，接口同样是C口，像元尺寸标准同上，这里需要注意，远心镜头是没有焦距可以选择的，因此只需要根据工作距离和视野范围，来确定相机镜头的型号，

选型思路：

镜头选择：考虑到马达为圆柱状，被测面是个弧面，需要一定的景深，景深太浅，可能会造成边缘字符模糊不清，推荐使用远心镜头

接口类型：和相机接口适配，可以使用C型接口

像元尺寸：相机像元尺寸为3.395um ,镜头选择时，需大于等于相机像元尺寸。

视野大小：

确定远心镜头，视野范围较小(20mm),优先考虑物方远心镜头，来满足项目需求