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长焦镜头的原理、适用范围及选型


工业镜头是机器视觉采集系统的重要组成部分。长焦镜头是镜头家族中相对年轻的一员,正以其独特的性能成为最善良的明星。但也因为远摄变焦镜头是在相对较短的时间内推出的,这些特性中的许多并不广为人知。本文从长焦镜头的应用、选择方法、适用范围等方面介绍了长焦镜头。并对远心系统中的暗光经验进行了全面的分析和揭示。

Telephoto Zoom Lens

第一部分:长焦变焦镜头的原理介绍

首先,让我们从长焦变焦镜头的几个问题开始。首先,一般镜头在成像过程中,当工作距离发生变化时,图像大小也会相应变化,结果是相同焦距的镜头对应不同的物距,会有不同的放大倍数。这一现象与人类视觉系统中的事物在远处看起来很小,反之则很大的事实相似。这个问题在某些应用中可以被忽略甚至利用,但是当我们的视觉系统被用来执行精确的测量任务时,这个特性可能是一个主要的障碍。其次,普通镜头有一定的景深范围,当被测物体的景深范围超出镜头时,图像会变得模糊,无法清晰对焦。因此,设计人员在普通透镜上设计了聚焦环。当距离改变时,它将调整焦点以查看感兴趣的区域。问题是,如果物体本身超出了一定范围,相机就没有办法看到端到端,必须采取其他方式来解决。第三,随着成像芯片分辨率的提高,用户对测量精度的要求越来越严格。根据普通透镜光学成像原理,最佳透镜仅能达到10um左右。视觉检测领域需要更精确的成像产品。
双长焦镜头就是为了解决这些问题而诞生的。对于双远距变焦镜头,在光学系统的中间位置平行放置孔径光阑,主光将通过光圈的中心点,主光将平行于光轴进入透镜。平行光保证足够大的景深,平行光从透镜保证工作距离在景深范围内变化很大,成像放大倍数的高度不变。

第2部分:双远摄变焦镜头的应用范围

在什么情况下应该使用远摄变焦镜头?根据作者多年的机器视觉产品选择经验,给读者提供了一些参考,即在以下情况下建议选择双长焦镜头:
1)当被测物体的厚度足够大,有多个平面需要被检测时,如食品盒、饮料瓶等
2)当被测物体的位置不确定时,可能与镜头成一定角度。
3)当被测物体上下跳动时,如生产线振动引起工作距离变化。
4)当用孔或三维物体测量物体时。
5)当需要低失真率且图像效果亮度几乎相同时。
6)当需要在同一方向上检测缺陷时,只能检测平行照明。
7)超过检验精度时,公差为1um。

第三部分:长焦变焦镜头的选择方法

长焦变焦镜头的选择方法与普通的光学系统在相机中的选择方法相似,需要注意以下几点:
兼容CCD靶面尺寸。这与普通镜头的选择类似,要求长焦镜头兼容的CCD靶面大于或等于匹配的摄像机靶面,否则会造成分辨率的浪费。
接口类型。目前,长焦镜头提供的接口类型与普通镜头类似,有C口、F口等,只要匹配就可以使用。
放大倍数或成像范围。当用CCD靶面确定放大率时,成像范围就确定了,反之亦然。
工作距离。一般来说,在上述三个确定的点上,工作距离被控制在一个由其成像光路确定的范围内。要注意工作距离是否符合实际要求。当检测到远心系统时,建议首先选择透镜,并根据工作距离设计其他机械结构。
景深。在满足前几个条件的情况下,景深越大,远心系统的光学特性越好,可以作为选型的参考。


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