东正光学:光学镜头的九大参数

Posted By: Dz Optics In: 镜头知识 On: Friday, April 13, 2018 Comment: 0 Hit: 116

  光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件,直接影响成像质量的优劣,影响算法的实现和效果。光学工业镜头广泛用于反射度极高的物体定位检测,如:金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测,芯片和硅晶片的破损检测,MARK点定位,玻璃割片机、点胶机、SMT检测、贴版机等工业精密对位、定位、零件确认、尺寸测量、工业显微等CCD视觉对位、测量装置等领域。本文就带来光学镜头的九大参数解析。

http://www.dzoptics.com/line-scan/43mm

  一、畸变:

  畸变作为光学系统中经常提到的一个参数,是限制光学量测准确性的重要因素之一。它是光学系统对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度,只引起像的变形,对像的清晰度并无影响。

  对于理想光学系统,在一对共轭的物像平面上,放大率是常数。但是对于实际的光学系统,仅当视场较小时具有这一性质,而当视场较大或很大时,像的放大率就要随视场而异,这样就会使像相对于物体失去相似性。这种使像变形的成像缺陷称为畸变。

  畸变定义为实际像高与理想像高差,而在实际应用中经常将其与理想像高之比的百分数来表示畸变,称为相对畸变

  有畸变的光学系统,若对等间距的同心圆物面成像,其像将是非等间距的同心圆。当系统具有正畸变时,实际像高随视场的增大比理想像高增大得快,即放大倍率随视场的增大而增大,则同心圆的间距自内向外逐渐增大;反之,当为负畸变时,圆的间距自内向外逐渐减小。对于普通的光学镜头,只要感觉不出它所成像的变形,这种成像缺陷就可忽略;但是对于某些要利用像来测定物体大小尺寸的应用,畸变的影响就非常重要了,它直接影响测量精度。

  普通工业镜头的畸变一般在1%~2%,这样的畸变通常会影响检测精度(例如实际长度为100mm的物体,使用这种镜头测得的尺寸可能是101mm~102mm;而我们东正光学的双远心镜头,畸变一般都小于0.1%,畸变系数为普通镜头的1/20,大大提高了检测精度和稳定性,达到了目前最高标准光学测试仪器的测量极限。

  二、分辨率:

  分辨率(resolution)又称分辨力、鉴别率、鉴别力、分析力、解像力和分辨本领,是指摄影镜头清晰地再现被摄景物纤微细节的能力,是评价镜头质量的一个重要参数。显然分辨率越高的镜头,所拍摄的影像越清晰细腻。它的优点是可以量化,用数据表示(图像分辨率一般以量化图像传感器即空间频率对比度CTF(对比传递函数)来衡量),使结果更直观、更科学、更严密。

  一般使用的分辨率公式:

  分辨率(ε)=0.61×λ/N.A.(Reyleigh公式)

  λ:使用的波长或辐射(λ=0.55μm用于可见光)

  N.A.:物镜数值孔径

  在实际工业应用中,系统使用面阵或线阵传感器作为成像器件,因此系统的分辨率通常也会受到成像传感器中像元分辨率的限制。像元分辨率定义为单位毫米内像素单元数的一半,即=1/2P,其中p为像素单元的尺寸大小。例如一个CCD的像元尺寸大小为5×5微米,则像元分辨率则为:=1/(2*0.005)=100(lp/mm)。传感器的像元分辨率限制了系统的最高分辨率,即使镜头的分辨率再高,系统也不可能分辨高于像元分辨率的细节。

  在实际使用中,普通镜头分辨率低,即使搭配高像素的相机,最后也只能生成模糊的影像。而采用我们东正光学公司的镜头,即使是配合小像素图像传感器,也能生成高分辨率图像。

  三、数值孔径N.A.:

  当物件的入射光瞳时半角是u,而折射率是n,n*sin u是物体方数值孔径N.A.;

  当物件的出射光瞳时半角是u',而折射率是n',n'*sin u'是物体方数值孔径N.A.;

  数值孔径是一个度量镜头分辨率及光亮度的重要指标,N.A.数值越高,分辨率及光亮度越高。

  四、景深:

  景深是指无需重新调焦即可保持可接受的图像清晰度的距离。

  景深计算公式:

  景深=2×(允许弥散圆×有效Fno/放大倍率2)=允许弥散圆/(N.A.×放大倍率)

  (注:有效Fno=放大倍率/2N.A.)

  五、有效F数/有效光圈:

  有效F数显示了物体在有限距离的镜头光亮度。用来表示实际使用的镜头的光亮度数值,光学放大率越高,镜头越暗。有效Fno=(1+β)×Fno。

  六、放大倍率:

  电子放大倍率:用相机拍照成像呈现在显示器的放大倍率。

  光学放大倍率(β):影像大小相对于物体的放大倍率。

  β=影像/物体=N.A./N.A.'=CCD相机靶面尺寸/视场实际尺寸

  有效F数显示了物体在有限距离的镜头光亮度。用来表示实际使用的镜头的光亮度数值,光学放大率越高,镜头越暗。有效Fno=(1+β)×Fno。

  七、视场:

  视场是镜头与CCD相机连接时物体可被看见的范围大小。

  视场大小=(CCD靶面大小)/(光学放大倍率)。

  八、焦距/后焦点/前焦点:

  焦距:光学系统中心到焦点的距离;

  后焦点:最后一片镜片到后侧焦点的距离;

  前焦点:最前一片镜片到前侧焦点的距离。

  九、F数/光圈数:

  <显示了光亮度,计算方式是镜头焦距除以从镜头的物体测观测到有效直径(入射光瞳D mm)。它可以用N.A.及镜头的光学放大率(β)计算出来。Fno=f/D= β/(2×N.A.)。

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