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              【自有技術大講堂】工業鏡頭-變焦鏡頭

              網站首頁    行業信息    【自有技術大講堂】工業鏡頭-變焦鏡頭

              導讀

              工業鏡頭是機器視覺中用于成像的組件,其主要功能是將目標成像到圖像傳感器上,其成像質量直接影響到機器視覺系統的整體性能。不同的應用需要選擇不同類型的工業鏡頭,機器視覺行業內通常將工業鏡頭分為定焦鏡頭、變焦鏡頭、線掃鏡頭、遠心鏡頭等,這些分類并沒有嚴格的界限。

               

              概念

              依據焦距能否調節,可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類。依據焦距的長短,定焦距鏡頭又可分為魚眼鏡頭、短焦鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭四大類。定焦鏡頭具有固定的視場角,但這種鏡頭仍然可以在不同工作距離處對焦,最常見的做法改變鏡頭與傳感器之間的距離。由于這種鏡頭使用靈活,且具有優異的性能,因此在大多數機器視覺應用中,通常采用定焦鏡頭。

              定焦距鏡頭設計成具有固定視場角度,而變焦鏡頭是在一定范圍內可以變換焦距、從而得到不同寬窄的視場角。變焦鏡頭特別適合使用過程中需要最大限度的靈活性,但不需要高分辨率的應用。

              1.a)定焦鏡頭;(b)變焦鏡頭

               

              原理

              對于變焦距系統來說,由于系統焦距的改變,必然使物像之間的倍率發生變化,所以變焦距系統也稱為變倍系統。多數變焦距系統除了要求改變物像之間的倍率之外,還要求保持像面位置不變,即物像之間的共軛距不變。

              對一個確定的透鏡組來說,當它對固定的物平面做相對移動時,對應的像平面的位置和像的大小都將發生變化。當它和另一個固定的透鏡組組合在一起時,它們的組合焦距將隨之改變。如圖2所示,假定第一個透鏡組的焦距為f′1, 第二個透鏡組對第一個透鏡組焦面f1′的垂軸放大率為β2,則它們的組合焦距f′

              2. 兩透鏡組之間的關系

               

              當第二透鏡組移動時,β2將變大,像的大小將改變,像面位置也隨之改變,因此系統的組合焦距f′也將改變。因此變焦系統的核心是通過移動透鏡組來改變倍率的。

              變焦鏡頭通常由前固定組、變倍組、補償組和后固定組組成。變倍組在變焦系統中主要負責改變倍率,在這個過程中像面也隨之發生改變,補償組就通過做相應的移動以補償像面的改變,而補償組對整體的倍率改變影響較小。

              3. 變焦系統的組成及變焦原理

               

              4. 變焦系統設計實例

               

              分類

              根據鏡頭的控制方式,變焦鏡頭可分為手動變焦鏡頭、自動光圈電動變焦鏡頭和電動三可變鏡頭。

              1)手動變焦鏡頭:焦距和光圈可以手動調節,通常在使用過程中一次性進行調整。

              2)自動光圈電動變焦鏡頭,這種鏡頭增加了兩個微型電機,其中一個微型電機控制變焦環的轉動以改變焦距,另一個微型電機控制聚焦環的轉動使鏡頭完成聚焦。電機可由人工通過施加電壓來控制,故而又稱“兩可變”鏡頭。

              3)電動三可變鏡頭:三個可調參數(光圈、焦距、聚焦)都是電動可變的,相比于“兩可變”鏡頭,僅僅是將光圈的調整方式從自動控制變為遙控控制,目前該類鏡頭的應繳鏡頭,由于不再是自動光圈,減少了自動控制電路部分。

              5. 電動變焦鏡頭

               

              結語

              變焦鏡頭在成像質量上還無法與定焦鏡頭相媲美,因此工業上應用較多的仍是定焦鏡頭,目前只是在較少的應用場景中使用小變倍比的手動變焦鏡頭。但隨著光學設計和加工技術的不斷進步,以及機器視覺中檢測需求的不斷增加,工業用變焦的鏡頭也正朝向大變倍比和高清化發展。由于變焦鏡頭具有能夠改變觀測視場的優勢,在機器視覺中可以使用一個鏡頭代替多個鏡頭,有利于簡化系統機構,因此變焦鏡頭在未來機器視覺中的應用中會越來越廣泛。

               

              參考文獻

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              [3] 張以謨,應用光學LM.3.北京:電子工業出版社,2008.ZHANG Yi-mo. Applied optics[ M].3rd ed. Bei-jing: Publishing House of Electronics Industry,2008. (in Chinese)

              2021年9月18日 08:49
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