机器视觉光学基础概念—镜头像圈、工作距离及物像距离一、镜头像圈：像圈（imagecircle）是指入射光线通过镜头后，在焦平面上呈现出的圆形的明亮清晰的影像幅面，也称像面大小。镜头像圈由镜头光学结构决定，一旦设计完成，其对应的像圈就确定了。在机器视觉中，由于感光器件为相机芯片，光学镜头，芯片尺寸即为成像靶面大小。由于镜头像圈为圆形，相机靶面为长方形，因此镜头与相机搭配时，必须使镜头的像圈直径≥相机靶面的对角线长度（如右图所示）。否则，相机靶面的四角会形成暗区（如左图所示）从而影响成像质量，这种现象称为渐晕。如CMOSISCMV2000芯片，对角线长度为12.8mm.若镜头的像圈为Ф11mm(厂家或表述为：镜头大兼容芯片尺寸为2/3)，那此款镜头搭配使用该芯片的相机时，就会出现渐晕。二、工作距离：工作距离(WD)是指镜头下端机械面到物体的距离。三、物像距离：物像距离(O/I)是指物平面到相机芯片间的距离。物像距离=工作距离镜头本体长度法兰距。其中对于常见的C口镜头和相机，法兰距为17.526mm。在机器视觉行业中，许多镜头设计时为了保证成像质量，工作距离通常为一个固定值或一个较窄的范围。如远心镜头，作为行业标准的工作距离是40mm、65mm、110mm。因此在实际项目中，建议进行设备机械设计前应先考虑视觉系统，使镜头工作距离的选择不受机械空间的限制，从而在保证佳的光学性能的同时降低成本。否则可能因为一个特殊的工作距离要求，导致选型十分困难，不得不定制镜头。在线阵项目中，由于各相机厂商定义的法兰距不同（如同样是M72*0.75接口，法兰距可能为6.56mm，9.4mm，12mm，19.55mm等），且线阵镜头通常需搭配很长的转接环，此时物像距离对于选型而言变得更有意义。因此作为***的机器视觉从业者，我们与客户沟通时，需要正确判断客户所描述的空间是指工作距离还是物像距离。机器视觉系统集成发展的现状和前景机器视觉系统集成是一门学科，随着新成像技术的不断发展，这门学科的发展势头依然强劲；近年来，机器视觉行业在***范围内实现了创纪录的增长，零部件在3D制导与计量、光谱图像分析、高速检测、深度学习等前沿应用领域的可用性和能力不断增强。机器视觉系统集成是一门学科，随着新成像技术的不断发展，这门学科的发展势头依然强劲。自从35年前广泛使用的商业组件被引入以来，熟练地将机器视觉集成到自动化应用程序中一直是该技术成功的关键因素。近年来，机器视觉行业在***范围内实现了创纪录的增长，零部件在3D制导与计量、光谱图像分析、高速检测、深度学习等前沿应用领域的可用性和能力不断增强。在为工业用户提供成功和可靠的机器视觉系统解决方案方面，称职的机器视觉集成商——无论是集成公司还是工程团队中的个人——比以往任何时候都扮演着重要的角色。一、集成与易用性：首先要了解机器视觉集成任务和业务的主要目的。也就是说，减轻***终用户的应用程序风险。总的来说，机器视觉技术的实现技术还没有像PLC、运动控制甚至机器人技术那样被整个工业工程界广泛理解。聘请具有机器视觉技术经验的集成商，从根本上有助于确保项目的***终成功和可靠性。不过，对不需要集成的机器视觉系统的需求肯定很高。机器视觉应用的易用性一直是用户的痛点，也是市场上组件和软件制造商的目标。在20世纪80年代中期，许多机器视觉组件开始出现，它们不需要低级编程，并且具有用户界面，这使得工具的配置更加容易。20世纪90年代智能相机技术的爆式发展巩固了机器视觉的易用性。其结果是:许多要求较低的机器视觉应用程序可以使用只需要很少配置甚至不需要配置的组件来解决。***近发布或引入了一些新组件，声称可以消除某些应用程序的机器视觉任务的粗略配置。尽管如此，机器视觉集成业务已经蓬勃发展。随着机器视觉组件行业***近以创纪录的水平增长，机器视觉集成行业似乎也出现了显著增长(不过，有趣的是，由于市场上很少收集到机器视觉集成方面的硬数据)。对集成服务的一些持续需求，甚至包括所谓的易于使用的组件，是机器视觉实现的基本性质，这需要有关光学和照明等方面的高知识，这对标准工业工程学科中不常见的应用领域具有挑战性。但是，机器视觉集成服务需求的持续增长，很大程度上是由于工业内部对需要使用端机器视觉技术的具挑战性的应用程序的实现的持续和不断扩大的需求。二、不断变革：在过去的10到15年中，机器视觉系统集成已经成为一种非常复杂的工程服务。成功的集成公司虽然可能继续为更常见的任务配置更简单的组件而提供服务，但它们经常处理以前尚未实现的高度复杂的自动化应用程序。现在的系统集成对于综合性技术的要求也越来越高，一个合格机器视觉集成商的先决条件包括：1）能够对各种基于PC、嵌入式计算机或板级软件库进行编程，以执行***复杂的机器视觉图像采集、处理和分析算法和任务;2）了解各种成像技术、相机和传感器;3）在复杂和专门的光学和照明元件的选择、设计和实现方面具有广泛的能力，以及在***机器视觉成像系统的规范和使用方面具有广泛的***知识。不断发展的技术使新的应用程序得以应用，并推动了对合格系统集成的需求此外，机器视觉集成商已经调整了商业模式，成为完整自动化系统的提供商，提供涉及机器视觉技术的解决方案的设计和集成，而不是仅安装机器视觉组件。要求苛刻的应用程序成功的关键包括控制零件，提供灵活的处理选项，操纵摄像机和照明方向，协调自动化控制和连接外部设备的能力。对通信的额外需求–例如与工业物联网（IIoT）和工业4.0相关的通信–决定了与机器视觉解决方案相关的进一步集成技能。三、新技术：机器视觉技术的快速发展使得大量新应用成为可能，同时也有助于推动当今机器视觉集成商的需求和技术能力。首先，光学镜头公司，考虑3D成像：更容易获得捕获视野的3D信息的机器视觉组件。这些设备在成像方法和实现技术方面差异很大。集成商可以将这些设备应用于各种应用，包括高精度表面分析、3D零件和特征测量，以及使用3D图像数据进行检查，而不是2D灰度信息。还有新推出的机器人视觉引导，在机器人导引中，光学镜头厂家，随机的产品甚至是混合的、随机堆积的产品都可以被夹持器挑出并抓取。其次，高光谱和多光谱成像是一项相对较新的技术。这些摄像机收集单个场景的多个（有时是数百个）图像，每个图像具有不同的窄带宽光谱信息。在熟悉该技术的集成商手中，可以在线完成材料离散光谱分析甚至化学成分的应用。食品，制药和回收等许多行业都可以从这种检测能力中受益。第三，许多工业应用需要高速成像和处理。线扫描是一种在高分辨率下实现更高成像速率的常用技术，但这些组件的集成可能比普通区域成像应用更复杂。同样，高速成像和处理是需要熟练集成的任务。***后，深度学习变得越来越受欢迎。虽然机器视觉并不是全新的，但机器学习及其新的实现深度学习是该行业的新流行语。这项技术在许多应用领域显示了巨大的潜力，但是它需要一个熟练的集***员来确定特定任务的深度学习的可行性和实现参数。四、前景：可以说，机器视觉集成已经发展起来，就像整个机器视觉行业一样。在不断扩大的应用基础上提供端的解决方案，光学镜头结构，机器视觉集成具有广阔的前景。精明的终端用户需要接受的是，机器视觉市场一直是，并将继续是，他是技术和能力方面的应用结合体。无论什么情况，系统集成商都将视觉行业的守门人，他们将不断提高自己，并向***终用户交付真正成功和可靠的机器视觉解决方案。光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头，简称镜头，其功能就是光学成像。镜头是机器视觉系统中的重要组件，对成像质量有着关键性的作用，它对成像质量的几个主要指标都有影响，包括：分辨率、对比度、景深及各种像差。镜头不仅种类繁多，而且质量差异也非常大，但一般用户在进行系统设计时往往对镜头的选择重视不够，导致不能得到理想的图像，甚至导致系统开发失败。本文的目的是通过对各种常见镜头的分类及主要参数介绍，总结各种因素之间的相互关系，使读者掌握机器视觉系统中镜头的选用技巧。根据有效像场的大小划分把摄影镜头安装在一很大的伸缩暗箱前端，并在该暗箱后端安装一块很大的磨砂玻璃。当将镜头光圈开至大，并对准无限远景物调焦时，在磨砂玻璃上呈现出的影像均位于一圆形面积内，而圆形外则漆黑，无影像。此有影像的圆形面积称为该镜头的大像场。在这个大像场范围的中心部位，有一能使无限远处的景物结成清晰影像的区域，这个区域称为清晰像场。照相机或摄影机的靶面一般都位于清晰像场之内，这一限定范围称为有效像场。由于视觉系统中所用的摄像机的靶面尺寸有各种型号，所以在选择镜头时一定要注意镜头的有效像场应该大于或等于摄像机的靶面尺寸，否则成像的边角部分会模糊甚至没有影像。根据有效像场的大小，一般可分为如下几类：镜头类型有效像场尺寸电视摄像镜头1/4英寸摄像镜头3.2mm×2.4mm（对角线4mm）1/3英寸摄像镜头4.8mm×3.6mm（对角线6mm）1/2英寸摄像镜头6.4mm×4.8mm（对角线8mm）2/3英寸摄像镜头8.8mm×6.6mm（对角线11mm）1英寸摄像镜头12.8mm×9.6mm（对角线16mm）电影摄影镜头35mm电影摄影镜头21.95mm×16mm（对角线27.16mm）16mm电影摄影镜头10.05mm×7.42mm（对角线12.49mm）照相镜头135型摄影镜头36mm×24mm127型摄影镜头40mm×40mm120型摄影镜头80mm×60mm中型摄影镜头82mm×56mm大型摄影镜头240mm×180mm根据焦距分类根据焦距能否调节，可分为定焦距镜头和变焦距镜头两大类。依据焦距的长短，定焦距镜头又可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四大类。需要注意的是焦距的长短划分并不是以焦距的值为首要标准，而是以像角的大小为主要区分依据，所以当靶面的大小不等时，其标准镜头的焦距大小也不同。变焦镜头上都有变焦环，调节该环可以使镜头的焦距值在预定范围内灵活改变。变焦距镜头长焦距值和短焦距值的比值称为该镜头的变焦倍率。变焦镜头有可分为手动变焦和电动变焦两大类。变焦镜头由于具有可连续改变焦距值的特点，在需要经常改变摄影视场的情况下非常方便使用，所以在摄影领域应用非常广泛。但由于变焦距镜头的透镜片数多、结构复杂，所以大相对孔径不能做得太大，致使图像亮度较低、图像质量变差，同时在设计中也很难针对各种焦距、各种调焦距离做像差校正，所以其成像质量无法和同档次的定焦距镜头相比。变焦距镜头定焦距镜头手动变焦电动变焦鱼眼镜头短焦镜头标准镜头长焦镜头实际中常用的镜头的焦距是从4毫米到300毫米的范围内有很多的等级，如何选择合适焦距的镜头是在机器视觉系统设计时要考虑的一个主要问题。光学镜头的成像规律可以根据两个基本成像公式牛顿公式和高斯公式来推导，对于机器视觉系统的常见设计模型，我们一般是根据成像的放大率和物距这两个条件来选择合适焦距的镜头的，在此给出一组实用的计算公式：放大率：m=h’/h=L’/L物距：L=f(11/m)像距：L’=f(1m)焦距：f=L/(11/m)物：h=h’/m=h’(L-f)/f像：h’=mh=h(L’-f)/f根据镜头接口类型划分镜头和摄像机之间的接口有许多不同的类型，工业摄像机常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。C接口和CS接口是工业摄像机常见的国际标准接口，为1英寸－32UN英制螺纹连接口，C型接口和CS型接口的螺纹连接是一样的，区别在于C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm。所以CS型接口的摄像机可以和C口及CS口的镜头连接使用，只是使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈；C型接口的摄像机不能用CS口的镜头。F接口镜头是尼康镜头的接口标准，所以又称尼康口，也是工业摄像机中常用的类型，一般摄像机靶面大于1英寸时需用F口的镜头。V接口镜头是的***镜头品牌施奈德镜头所主要使用的标准，一般也用于摄像机靶面较大或特殊用途的镜头。特殊用途的镜头显微镜头（Micro），一般是指成像比例大于10:1的拍摄系统所用，但由于现在的摄像机的像元尺寸已经做到3微米以内，所以一般成像比例大于2:1时也会选用显微镜头。微距镜头（Macro），一般是指成像比例为2:1～1:4的范围内的特殊设计的镜头。在对图像质量要求不是很高的情况下，一般可采用在镜头和摄像机之间加近摄接圈的方式或在镜头前加近拍镜的方式达到放大成像的效果。远心镜头（Telecentric），主要是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。紫外镜头（Ultr***iolet）和红外镜头（Infrared），一般镜头是针对可见光范围内的使用设计的，由于同一光学系统对不同波长的光线折射率的不同，导致同一点发出的不同波长的光成像时不能会聚成一点，产生色差。常用镜头的消色差设计也是针对可见光范围的，紫外镜头和红外镜头即是专门针对紫外线和红外线进行设计的镜头。光学镜头-光学镜头结构-瑞利光学(优质商家)由深圳瑞利光学有限公司提供。深圳瑞利光学有限公司（www.ray-/p）是从事“机器视觉光学镜头,光源,光源控制器”的企业，公司秉承“诚信经营，用心服务”的理念，为您提供优质的产品和服务。欢迎来电咨询！联系人：刘小坤。)