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機(jī)器視覺之鏡頭成像原理及特性
2024-10-09
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成像原理

鏡頭成像原理是基于凸透鏡成像通過透鏡的組合,把物體發(fā)出或者反射的光線成像在像平面上(與芯片面重合)。運(yùn)用凹凸透鏡組合能有效地平衡球差、軸外像差、色差等各種像差,提高成像質(zhì)量。攝像頭成像的過程可以分為以下幾個(gè)步驟:光學(xué)成像、光電轉(zhuǎn)換、信號處理、數(shù)字編碼和數(shù)據(jù)傳輸。

技術(shù)參數(shù)

焦點(diǎn)/焦距
與光軸平行的光線射入凸透鏡時(shí),理想的鏡頭應(yīng)該是所有的光線聚集在一點(diǎn)后,再以錐狀擴(kuò)散開來,這個(gè)聚集所有光線的點(diǎn)叫做焦點(diǎn)。
對于單個(gè)透鏡來說,焦距是指從光心到焦點(diǎn)的距離,如圖一;
對于多個(gè)透鏡組成的鏡頭組來說,焦距是指像方主平面到焦點(diǎn)的距離,如圖二。

光圈  
光圈就是控制光線進(jìn)入鏡頭的裝置。在鏡頭內(nèi)部多枚葉片組合成一個(gè)圓形孔徑調(diào)節(jié)裝置,通過調(diào)節(jié)孔徑大小就可以控制鏡頭的通光量。光圈用英文字母F表示,F(xiàn)值與光圈大小成反比,F(xiàn)值越小光圈越大,F(xiàn)值越大光圈反而越小。


光圈系數(shù)是指鏡頭焦距    與整個(gè)鏡頭入瞳直徑D的比值,通常用f/#來表示。其計(jì)算公式:f/#=f′/D。


 f/#值越小,光圈越大。一般f/#值是以√2倍遞增,因此光圈常用的計(jì)數(shù)為F1.4,F(xiàn)2.0,F(xiàn)2.8,F(xiàn)4.0……在同一單位時(shí)間內(nèi)上一級的通光面積是下一級的兩倍,例如光圈從f/8調(diào)整到f/5.6,通光面積便增加一倍。
光圈對圖片亮度的影響:相同應(yīng)用條件下,同一鏡頭,光圈越大,通光孔徑越大,圖片越亮。


工作距離
工作距離(Working Distance):鏡頭聚焦清晰時(shí),被測目標(biāo)到鏡頭最前端的距離稱為工作距離。實(shí)際應(yīng)用中,鏡頭不能對任意物距下的目標(biāo)都同時(shí)聚焦清晰,因此鏡頭的工作距離有一定范圍。 
一般的鏡頭是可以看到無限遠(yuǎn)的,也就是說是沒有上限的,我們需要注意的是“最小工作距離”在鏡頭上有兩個(gè)有刻度的調(diào)節(jié)圈,一個(gè)是調(diào)節(jié)光圈的,另一個(gè)是調(diào)焦的,在調(diào)焦的刻度圈上標(biāo)有此鏡頭的工作距離從最近到最遠(yuǎn)是多少。


視場角/視野
視場角:在光學(xué)工程中,視場角是指鏡頭對圖像傳感器的張角,即若y'為Sensor的半對角線長度,則視場角2θ≈2*arctan(y'/f')。
視野:視野(Field of View, FoV),也叫視場范圍,是指鏡頭能觀測到的實(shí)際范圍。鏡頭的視野大小和相機(jī)的分辨率,決定視覺系統(tǒng)所能達(dá)到的視覺檢測精度。


相同的工作距離下,焦距越短,視場角越大,視野也就越大;相同的焦距下,視場角一定,工作距離越遠(yuǎn),視野越大。 


放大倍率
放大倍率定義為像的大小與物的大小之比。 
        -1<β <0時(shí),物像異側(cè),成倒立縮小的實(shí)像,如AA′所示,這就是鏡頭的成像原理。
        β=-1時(shí),物像異側(cè),成倒立等大的實(shí)像,如BB′所示。
        β<-1時(shí),物像異側(cè),成倒立放大的實(shí)像,如CC′所示,這就是顯微鏡的成像原理。
        β>0時(shí),物像同側(cè),成正立放大的虛像,如DD′所示,這就是放大鏡的成像原理。    


分辨率
分辨率是指光學(xué)系統(tǒng)可以測到的被測物體上的最小可分辨特征尺寸。
鏡頭分辨率與相機(jī)像素、分辨率均無關(guān),只與鏡頭成像質(zhì)量有關(guān),通常鏡頭分辨率指的是解像力。鏡頭只與解像力有關(guān),越高質(zhì)量的鏡頭,解像力越高,通常稱為“銳度越高”,所拍照片也自然越清晰。
鏡頭能分辨物體的細(xì)節(jié)越小,鏡頭的分辨率就越高。通常用像面處每毫米能夠分辨的黑白相間的條紋對數(shù)(lp/mm)描述。
在實(shí)際應(yīng)用中,建議鏡頭的分辨率不低于相機(jī)的分辨率。 


景深
深度為當(dāng)CCD從最佳焦點(diǎn)前后移動時(shí),出現(xiàn)最銳利焦點(diǎn)的最近點(diǎn)與最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的距離。影像側(cè)的深度范圍稱為焦深。


影響景深的主要因素
鏡頭光圈
光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大。

鏡頭焦距
鏡頭焦距越長,景深越??;焦距越短,景深越大。

拍攝距離
距離越遠(yuǎn),景深越大;距離越近,景深越小。    

光學(xué)畸變
光學(xué)畸變(distortion):由于鏡頭在不同視場放大倍率的不一樣,使得像相對于物體失去相似性,這種像變形的缺陷稱為光學(xué)畸變。光學(xué)畸變只影響成像的幾何形狀,并不影響成像的清晰度。常見的光學(xué)畸變主要有兩種類型,桶形畸變和枕形畸變(如圖)。

TV畸變
TV畸變是圖像的視覺畸變的度量,TV畸變的定義有很多 。其中RIAA TV畸變計(jì)算公式如下:


后截距
法蘭距:鏡頭法蘭面到像面(芯片)的距離。
機(jī)械后截距:鏡頭最后的機(jī)械面到像面的距離。
光學(xué)后截距:鏡頭最后端鏡片表面頂點(diǎn)到像面的距離。