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景深、工作距離、物像距離

  • 更新日期:2019-05-22      瀏覽次數:3733
    • 通俗而言,景深即在鏡頭架設好后,與被測物體間相對距離不做任何調節的情況下,可接受的能清晰成像的物方空間范圍。

      在機器視覺中,相機芯片為光學系統的像平面,物方與像平面共軛的平面稱為對準平面。嚴格的來講除對準平面上的點能成點像外,其他空間點在像平面上成像為彌散斑。但由于芯片的分辨率是有限的,因此當彌散斑小于一定限度時,仍可認為是一個像點,即成像清晰。

      因此景深定義為:能在像平面上獲得清晰像的物方空間深度范圍稱為景深。能成清晰像的zui遠的物平面稱為遠景平面,它與對準平面的距離稱為遠景深度Δ1;能成清晰像的近的物平面稱為近景平面,它與對準平面的距離稱為近景深度Δ2;景深=遠景深度+近景深度。如下圖所示:

               

      景深可由下式計算:

      隨著近年相機芯片像元尺寸的減小,彌散斑取0.04mm已遠大于芯片的分辨能力。而且嚴格而言,不同像元尺寸的相機,由于允許的彌散斑大小不同,同一個鏡頭的景深也有差異。機器視覺行業各鏡頭廠商仍以彌散斑直徑=0.04mm來計算景深。因此有經驗的工程師會發現鏡頭實際測試出的景深值<目錄上標示出的景深理論值。

      由上式可以看出,景深跟鏡頭有效Fno.成正比。因此對于光闌可調的鏡頭, Fno.1.4,即光闌開口大時,景深小。當減小Fno.8,即光闌開口調小時,景深增大。

      另外,由上式還可看出,當鏡頭Fno.相同時,鏡頭放大倍率越小,景深越大。    

      工作距離及物像距離

      工作距離(WD)是指鏡頭下端機械面到物體的距離。

      物像距離(O/I)是指物平面到相機芯片間的距離。

      物像距離=工作距離+鏡頭本體長度+法蘭距。

      其中對于常見的C口鏡頭和相機,法蘭距為17.526mm

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      在機器視覺行業中,許多鏡頭設計時為了保證成像質量,工作距離通常為一個固定值或一個較窄的范圍。如遠心鏡頭,作為行業標準的工作距離是40mm65mm110mm

      因此在實際項目中,我們建議進行設備機械設計前應先考慮視覺系統,使鏡頭工作距離的選擇不受機械空間的限制,從而在保證光學性能的同時降低成本。否則可能因為一個特殊的工作距離要求,導致選型十分困難,不得不定制鏡頭。

      在線陣項目中,由于各相機廠商定義的法蘭距不同(如同樣是M72*0.75接口,法蘭距可能為6.56mm, 9.4mm, 12mm, 19.55mm等), 且線陣鏡頭通常需搭配很長的轉接環,此時物像距離對于選型而言變得更有意義。因此作為專業的機器視覺從業者,我們與客戶溝通時,需要正確判斷客戶所描述的空間是指工作距離還是物像距離。

      鏡頭像圈

      像圈(image circle)是指入射光線通過鏡頭后,在焦平面上呈現出的圓形的明亮清晰的影像幅面,也稱像面大小。鏡頭像圈由鏡頭光學結構決定,一旦設計完成,其對應的像圈就確定了。

      在機器視覺中,由于感光器件為相機芯片,芯片尺寸即為成像靶面大小。由于鏡頭像圈為圓形,相機靶面為長方形,因此鏡頭與相機搭配時,必須使鏡頭的像圈直徑相機靶面的對角線長度(如右圖所示)。否則,相機靶面的四角會形成暗區(如左圖所示)從而影響成像質量,這種現象稱為漸暈。

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      CMOSIS CMV2000芯片,對角線長度為12.8mm. 若鏡頭的像圈為Ф11mm(廠家或表述為:鏡頭大兼容芯片尺寸為2/3'), 那此款鏡頭搭配使用該芯片的相機時,就會出現漸暈。

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