工业相机镜头的完整指南下

传感器的尺寸

为工业相机选择合适的镜头需要了解传感器的兼容性。本文描述的与各种特定尺寸传感器兼容的镜头接口设计。通过将适当镜头与传感器相匹配,相机可以捕获完整的图像,而不会出现任何晕影。图18中可以看到一个晕影示例,其中相机对咖啡杯进行成像,但较大的传感器产生了专为较小传感器尺寸而设计的镜头投射的阴影。

图18|咖啡杯图像上的晕影

相机的传感器尺寸决定了相机的裁切系数。通过选择特定的焦距并更换相机以使用不同尺寸的传感器,随着传感器尺寸减小,图像将会越来越大。图19中可以看到这一点,其中全画幅35mm传感器代表全尺寸图像,传感器尺寸一直减小至¼”传感器,该图像会继续放大。减小传感器尺寸后,图像会应用裁切系数,这类似于镜头如何增加焦距进行放大。因此,较小的传感器将需要更宽的FoV来捕捉完整的目标,或者需要相机保持一定的物理距离,直到画幅内出现完整的目标。

图19|一组焦距相同、但使用不同传感器来可视化裁切系数影响的图像

图20显示了Teledyne Imaging相机提供的各种尺寸传感器。最大尺寸传感器代表是Teledyne DALSA Falcon4相机使用的中画幅传感器。最小尺寸代表是Teledyne DALSA Genie Nano C/M640采用的传感器。传感器尺寸多种多样性只是代表可用于各种视觉系统可能采用的镜头数量。由于每种类型的传感器都有各种兼容的镜头,因此重要的是了解镜头可能对整个视觉系统造成的额外成本。一个小型传感器可配备一个价格合理的定焦镜头,由于移动部件更小更少,这种定焦镜头的价格范围通常比较低。然而,与相机内传感器的尺寸相比,镜头的价格通常会成比例增加。对于中画幅传感器而言,分辨率会很高,因此所需光学元件需要达到非常高的质量,从而大大增加系统成本。

图20—不同传感器尺寸对比

如需了解更多不同相机传感器尺寸背后的命名传统,请阅读Teledyne Lumenera的博文《成像应用相机选择中传感器尺寸的重要性》。

光 圈

根据图像需要聚焦的程度,光圈可能需要进行调节。光圈开口越大,相机可以为传感器提供更多的光线。但是,这会导致DoF变浅,从而减小最远和最近对焦目标之间的距离。

反之亦然,光圈开口缩小会导致光线通过一个窄孔,并增加景深,从而使相机拍摄到的图像中有更多的聚焦区域。光圈用f-stop值表示。f-stop可能是F1.4、F2、F5.6、F11、F16、F22,以及许多其他可能值。f-stop值表示光圈在镜头内的闭合或打开程度。该值较高(例如F22)表示光圈较小甚至几乎关闭,而该值较低(例如F5)则表示光圈打开的范围较大。图21对这些光圈进行了对比。如需了解更多有关光圈在任何成像系统中发挥的关键作用,请参阅我们的博文《通过镜头光圈优化提高成像系统性能》。

光圈对比

图21|大光圈(左)和小光圈(右)对比

光学像差

成像时会出现多种类型的光学像差。光学元件没有正确对齐,或者没有采取某些步骤来确保适当成像时,光学像差可能会导致图像出现各种类型的问题。在某些情况下,光学像差并不是一件坏事。使用广角镜头,FoV会更宽,这种情况所带来的优点可能比图像边缘出现的像差更重要。

消除光学像差可能成本很高。使用可校正所有可能像差的镜头构建一个理想的视觉系统会大大增加成本。常见的像差为桶形失线)。如需了解光学像差的详细列表、光学像差的影响以及减少光学像差的方法,请阅读博文《可能影响视觉系统的六种光学像差》。

图22|白色网格线的桶形失真显示了广角镜头扭曲对图像的影响

球差是另一种常见的像差类型,会导致图像边缘模糊。出现球差的原因在于大多数镜头光学元件是球形形状,导致光线沿光轴聚焦在不同的点上。图23中可以看到这一点,底部的图表显示由于球差导致出现多个焦点,顶部显示修复像差使用的非球面镜头。如需了解更多有关球差影响图像以及减轻这种影响的方法,请阅读博文《最小化球差:为您的成像系统选择合适的镜头》”。

图23|用多焦点描述球差

不同镜头的应用

市场上有各种各样的镜头,根据具体的成像应用,每种镜头都有非常特定的用途。与传感器兼容的光圈、焦距和裁切系数等因素都会影响镜头对应用的适用性。特别对于焦距而言,在需要宽FoV的应用中,通常选择使用广角镜头。对于视觉系统本身和/或相机可能与目标有很大距离的其他应用,长焦镜头可能是最佳选择。

航空成像

航空成像是一种独特的应用,可以使用许多不同类型的镜头。选择航空成像镜头的关键是了解地面采样距离(GSD)。GSD与搭载有视觉系统的飞行器的高度有直接关系。然而,在海拔较高的应用中,较长焦距的镜头(例如长焦镜头)可能是最好的类型。长焦镜头的优势在于能够缩小目标主体并能够获得更远目标的更多细节。在海拔较低的成像应用中,使用广角镜头(例如17mm镜头)可能更合适,以便能够更好地捕捉更多环境,无需增加相机的高度。如需了解更多有关GSD以及如何衡量哪种类型的镜头最适合航空成像系统的信息,请参阅博文《航空成像的挑战:实现清晰、轮廓鲜明的成像》。

广角镜头通常可用于精准农业等应用,因为其FoV更宽。与长焦镜头相比,这种方案更可行,长焦镜头需要无人驾驶飞行器(UAV)使用更多电池飞到更高的高度,然后才能使用镜头对同一区域进行成像。在某些情况下,除了使用更宽的镜头之外,使用多台小型相机来增加视觉系统的有效像素宽度可能会更好,甚至比仅使用更大的相机和传感器更有效,如图所示24。如需了解航空成像中使用多台相机相关的更多信息,请阅读Teledyne Lumenera《在航空成像中使用单台相机还是多台相机》。

图24|一个2000万像素相机和两个900万像素相机视野宽度对比

激光束轮廓测量

激光轮廓测量是成像应用的其中一个示例,在这种类型的应用中,使用不搭载任何镜头的相机可能更切实可行。因为添加玻璃(例如相机镜头)会产生光吸收和反射问题。

在激光束轮廓测量中,分辨率是关键要素,因为激光束轮廓在通过相机玻璃时发生任何变化都会产生主动错误信息。捕捉激光束轮廓的目的是了解从光源发出的光分布的均匀度。因此,任何改变光(穿过材料(甚至玻璃))强度或方向的可能性都会导致图像的有效分辨率降低。为了确保拍摄激光束轮廓测量的准确图像,必须考虑相机内部没有任何玻璃(包括传感器玻璃)。在这些情况下,Teledyne Lumenera特定相机型号的无盖板玻璃(WOCG)订购选项可供用户选择。如需了解更多有关WOCG订购选项,请通过系我们的成像专家。

图25|激光束轮廓测量

监控

对于监控和安全应用,相机通常配备焦距较小的广角镜头。在监控环境时可以捕获更宽的FoV。如果使用较窄的FoV,则需要增设相机来替代广角镜头的FoV。CS-接口镜头通常用于监控,但可能也可以选择C-接口镜头。C接口镜头也可以与CS-接口相机搭配使用,从而创造更多成像可能性。但必须考虑相机的高度,因为在尝试使用更宽的镜头识别图像数据时,更高的高度可能会面临一定的问题。在这些情况下,利用更长的焦距更好地放大感兴趣的主体可能很重要。

图26|Teledyne Lumenera Lt系列C-接口P-IRIS相机

在考虑视觉系统的安全适应性时,P-IRIS镜头也很重要。使用P-IRIS镜头,相机可以通过软件调节光圈值。相机放置在具有动态照明的环境中时,这种镜头可能会有很大帮助,例如拍摄日夜光线水平对图像质量影响很大的建筑物外部。如需了解更多有关P-Iris的优势信息,请阅读我们的博文《视觉系统需要采用P-Iris镜头的理由》。

智能交通系统(ITS)

对于交通成像等需要将相机安装在被成像区域上方高处的应用(例如,在高速公路上方的柱子或龙门架上),安装高度对DoF有很大的促进作用。在高速公路上使用长焦镜头,能够在各种距离内对更多车辆进行成像。这种选项可能会限制相机能够准确成像的车道数量。图27比较了长焦镜头捕捉单个车道上的多辆汽车图像与广角镜头同时捕捉多个车道图像。调节为较小光圈,广角镜头可以捕捉到更远距离的细节,或者使用多台焦距更长的相机,可以捕捉到更多的汽车图像。镜头的最佳选择取决于若干因素,包括但不限于相机的帧率、环境条件以及可覆盖的车道数。因此,根据相机的部署位置,应考虑采用各种焦距以找到最佳视觉解决方案。

图27|长焦距和短焦距对比

选择哪种镜头?

镜头是视觉系统的首要部分,对被捕获光线有重要影响。因此了解镜头在通过光学元件弯曲时对光线造成的影响以及特定焦距提供最佳视角的位置非常重要。一个应用适用的理想镜头可以归结为几个因素,包括传感器的尺寸、系统的光学要求,以及物理结构是否符合视觉系统的设计参数规定。总而言之,并不存在完美的镜头。但有许多镜头更适用于特定情形。如欲得到构建任何应用的适当视觉系统方面的帮助,请通过联系我们的成像专家。