【自有技术大讲堂】工业镜头-变焦镜头

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导读

工业镜头是机器视觉中用于成像的组件,其主要功能是将目标成像到图像传感器上,其成像质量直接影响到机器视觉系统的整体性能。不同的应用需要选择不同类型的工业镜头,机器视觉行业内通常将工业镜头分为定焦镜头、变焦镜头、线扫镜头、远心镜头等,这些分类并没有严格的界限。

 

概念

依据焦距能否调节,可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。依据焦距的长短,定焦距镜头又可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四大类。定焦镜头具有固定的视场角,但这种镜头仍然可以在不同工作距离处对焦,最常见的做法改变镜头与传感器之间的距离。由于这种镜头使用灵活,且具有优异的性能,因此在大多数机器视觉应用中,通常采用定焦镜头。

定焦距镜头设计成具有固定视场角度,而变焦镜头是在一定范围内可以变换焦距、从而得到不同宽窄的视场角。变焦镜头特别适合使用过程中需要最大限度的灵活性但不需要高分辨率的应用

1.a)定焦镜头;(b)变焦镜头

 

原理

对于变焦距系统来说,由于系统焦距的改变,必然使物像之间的倍率发生变化,所以变焦距系统也称为变倍系统。多数变焦距系统除了要求改变物像之间的倍率之外,还要求保持像面位置不变,即物像之间的共轭距不变。

对一个确定的透镜组来说,当它对固定的物平面做相对移动时,对应的像平面的位置和像的大小都将发生变化。当它和另一个固定的透镜组组合在一起时,它们的组合焦距将随之改变。如图2所示,假定第一个透镜组的焦距为f′1, 第二个透镜组对第一个透镜组焦面f1′的垂轴放大率为β2,则它们的组合焦距f′

2. 两透镜组之间的关系

 

当第二透镜组移动时,β2将变大,像的大小将改变,像面位置也随之改变,因此系统的组合焦距f′也将改变。因此变焦系统的核心是通过移动透镜组来改变倍率的。

变焦镜头通常由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组组成。变倍组在变焦系统中主要负责改变倍率,在这个过程中像面也随之发生改变,补偿组就通过做相应的移动以补偿像面的改变,而补偿组对整体的倍率改变影响较小。

3. 变焦系统的组成及变焦原理

 

4. 变焦系统设计实例

 

分类

根据镜头的控制方式,变焦镜头可分为手动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头和电动三可变镜头。

1)手动变焦镜头:焦距和光圈可以手动调节,通常在使用过程中一次性进行调整。

2)自动光圈电动变焦镜头,这种镜头增加了两个微型电机,其中一个微型电机控制变焦环的转动以改变焦距,另一个微型电机控制聚焦环的转动使镜头完成聚焦。电机可由人工通过施加电压来控制,故而又称“两可变”镜头。

3)电动三可变镜头:三个可调参数(光圈、焦距、聚焦)都是电动可变的,相比于“两可变”镜头,仅仅是将光圈的调整方式从自动控制变为遥控控制,目前该类镜头的应缴镜头,由于不再是自动光圈,减少了自动控制电路部分。

5. 电动变焦镜头

 

结语

变焦镜头在成像质量上还无法与定焦镜头相媲美,因此工业上应用较多的仍是定焦镜头,目前只是在较少的应用场景中使用小变倍比的手动变焦镜头。但随着光学设计和加工技术的不断进步,以及机器视觉中检测需求的不断增加,工业用变焦的镜头也正朝向大变倍比和高清化发展。由于变焦镜头具有能够改变观测视场的优势,在机器视觉中可以使用一个镜头代替多个镜头,有利于简化系统机构,因此变焦镜头在未来机器视觉中的应用中会越来越广泛。

 

参考文献

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2021年9月18日 08:49
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