机器视觉:机器视觉光学概念——法兰距离、镜头接口,镜头像圈

Posted By: Dz Optics In: 镜头知识 On: Friday, April 20, 2018 Comment: 0 Hit: 86

  从属性上讲,视觉是所有感觉中最为直观地反映事物特性的官能。而事物的特性所包含的方面就足够多了:面积,长度,数量,颜色,光照,纹理,运动,静止,分割,趋势等等。所以这也就决定了机器视觉所要关注的方向和领域是全方面的。

  所以,从底层来讲,机器视觉第一个问题或者说要有所突破的首先要关注底层视觉与感知。也就是东西的外在。这其中复杂的数据量,冗余的各类信息,都需要尽可能多的捕捉到。所以高性能的CCD或者CMOS感光元件还需要有进一步发展,相对来说更精确的检测元件也是十分必要的,要保证能够获得高精确度和高对比度的图像和底层视觉感知数据。毕竟只有底层完整的采样才能有后一步的识别检测和建模。硬件的精度始终是机器视觉领域的敲门砖。

  第二个重要方面是在完整的底层采样之后,基于图像的物理建模,和数学建模不同的是,基于图像的物理建模涉及到立体视觉与运动结构的重构,这里面不仅仅是构建一个普适性算法的问题,可能还需要立体结构学,神经生物学,心理物理学,数据统计学科等多学科的交叉。比如苹果iPhone5S当下最热的指纹识别,也是首先由元件采集指纹信息,然后构建物理模型。而其中神经生物学知识必不可少。往更广层面上讲,医疗图像分析、智能交通的空间动态管理、大型构件的光电检测等等,凡是基于图像的机器视觉问题,都需要建立相关的物理模型,此间千变万化的库变化需要有更高效、更普适性的算法与数据结构的支撑。软件的高效与普适决定机器视觉的广度。

  第三个问题是精确识别与模糊特征的智能取舍。理论上有高精度的硬件与高效的算法,机器视觉相对来说就能到达一个很高的适用度。但是机器与人类的差异在于智能的判断,也就是在精确识别与模糊特征之间进行智能取舍。举一个简单的例子,如果以人眼视觉识别,20岁的熟人与21岁的同一熟人的差异不足以让你将他拒之门外。因为你智能地摒弃了两者之间的模糊差异。而如果这扇门是一个机器视觉识别系统的话,复杂而庞大的信息流在精确识别与计算的前提下足以分辨20岁的你与21岁的你的差异,而这点差异可能会拒熟人于门外。这也是机器始终只是机器的原因。精确识别与模糊特征的取舍反映机器视觉是否智能。

  1)法兰距离及镜头接口

  今天先给大家介绍一下法兰距离,继而介绍镜头(或搭配的相机)中常见的几种接口,以及加接圈的原则和意义。

  所谓法兰距离,就是指相机机身与镜头接触的机械面到相机芯片之间的距离。镜头的后截距需和相机的法兰距离对应,才能让光线聚焦在相机芯片上。

  通常,工业相机接口有C接口、CS接口、F接口、M72接口、M95接口等等。除F接口外,其他接口一般用螺纹的尺寸规格去定义,并且会有特定的法兰距离,而F接口则为卡扣式的接口。

  以C接口为例,它的螺纹规格是1英寸直径,螺纹是32牙/英寸,可以兼容使用于最大4/3”芯片的工业相机(对角线长度约22.6mm)。C接口相机的法兰距离为17.526mm,需配合C接口的镜头使用,如下图——

  而CS接口,螺纹规格和C接口相同,但是法兰距离为12.526mm,比C接口短5mm,因此 C接口镜头配合CS接口相机时,需要加一个5mm的接圈,否则成像位置会在芯片之后,如下图——

  值得注意的是,如果要成像,必须保证镜头设计的法兰距离大于相机的法兰距离。例如,如果一个CS接口镜头,搭配一个C接口的相机,就会出现以下情形而无法使用——

  对于线扫描镜头或大面阵镜头,通常其后截距比较大, 这样也可以兼容市面上的各种不同法兰距离的线扫描/大面阵相机。例如下图是F80C系列镜头的接圈方式,通过加不同厚度的接圈,可以与法兰距离为46.5mmF口相机,或法兰距离仅有6.56mm的M72接口相机及其他更多的相机匹配。使用时,我们需要根据所选用相机的型号去选择对应的接圈方式,因此通常情况下,线扫镜头的接圈的接法会相对复杂。

  2)镜头像圈

  像圈(image circle)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,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CMOSIS CMV2000芯片,对角线长度为12.8mm. 若镜头的像圈为Ф11mm(厂家或表述为:镜头最大兼容芯片尺寸为2/3'), 那此款镜头搭配使用该芯片的相机时,就会出现渐晕。

  如镜头像圈为Ф12.8mm, 此说明此款镜头可匹配包含CMV2000, 2/3'、1/2'、1/1.8'、1/2.5'、1/3'等芯片的相机。

  习惯性的,当为4/3'以下面阵相机设计的镜头时,通常表述为“最大兼容的相机靶面”当为更大靶面的面阵相机或线阵相机设计的镜头时,通常直接给出镜头的像圈,如ML-F80C-0205, 镜头像圈为Ф82mm。

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