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物镜技术

物镜在工业图像处理中发挥着核心作用，可提供清晰、精确的对象成像。它们会显著影响图像质量，并确保以最佳方式呈现细节、对比度和分辨率。

物镜的技术结构

有哪些类型的物镜？

通常分为偏心物镜和远心物镜：

偏心物镜

偏心物镜是工业图像处理中最常用的物镜类型之一。固定焦距和变焦物镜均基于这种光学原理，类似于人眼的自然感知。

对于偏心标准物镜，无论对准对象还是传感器，张角都保持恒定。相比之下，偏心变焦物镜的张角可能有所不同。普通物镜是指这样的物镜：：其约 50 度的张角相当于人眼。

特性

对于偏心物镜，靠近摄像头的对象看起来更大，远处的对象看起来更小。因此，即使在固定焦距下也能很好地调整图像截图。对象距离越远，图像截面越大，对象越靠近，对象越小。

工作距离可以减小到制造商规定的最小物体距离 (MOD) 。插入间隔环可进一步减小此间距，但这可能会导致视觉图像错误。对于广角物镜而言，这种效果尤其具有挑战性。在此过程中，虽然垂直探测到图像中心的对象，但视角越来越向图像边缘移动。通过关闭光圈并随之增加焦深，可以降低这种效果。

但是，对于精确测量而言，此类拍摄仅在有限条件下适用，尤其是当无法精确对齐对象时。尽管如此，该技术仍然可以有针对性地使用，例如，使用鱼眼物镜检查复杂部件的孔内侧或侧壁。然而，此类应用需要极大的焦距和非常短的工作距离。

使用偏心物镜的应用

使用机器视觉照相机检查密封件

在汽车行业的氢燃料电池中，会使用专用高温密封件。在生产过程中必须非常精确地检查其尺寸精度和损坏情况。为此，将多个机器视觉照相机与远心物镜一起连接到机器视觉控制器上，并放置在检测台上方。

使用视觉系统测量曲面直径

在汽车行业冲压车身部件时，测量产生曲面的直径以确保冲压过程的质量至关重要。视觉系统由机器视觉照相机、远心物镜、背景照明和控制单元组成，借助该系统使用透光法可为冲孔生成清晰的图像轮廓。

使用视觉系统检查乘用车空调系统的密封圈

在汽车行业，乘用车空调系统需要使用带有密封件的管道连接件。为了实现最大的密封性，必须检查金属和橡胶密封圈的圆度以及橡胶件可能存在的缺陷。为此，在输送段上会安装一个由机器视觉照相机、机器视觉控制器和红外线背光灯组成的视觉系统。

远心物镜

远心物镜主要用于精密测量应用，尤其是在如下地方：物体位置在视野内沿 X 和 Y 方向发生变化，但仍需要无失真的结果。

在这些光学元件中，张角在规定范围内接近零度。因此，光束几乎平行于光轴，从而避免透视失真。因此，无论对象距离摄像头更近还是更远，整个视野中的成像都保持不变。远心物镜特别适合精确测量长度、宽度和位置，在这些情况下，稳定的成像比例至关重要。

与偏心物镜不同，远心系统不仅在图像中心对焦，而且在图像边缘垂直对焦对象。

远心物镜的应用领域

偏心光学元件尤其适用于测量或检测任务：

比较不同对象层面上的结构
例如，在测量工件顶部和底部的孔时，偏心光学元件可确保统一的成像比例，并实现可靠的对比测量。
进给不准确时物体间距可变
如果物镜和对象之间的距离无法精确再现，例如由于进给或定位公差，则使用远心光学元件仍可保持成像的比例。
钻孔和内轮廓的检查和测量
借助远心光学元件，可以无透视失真地绘制孔或凹陷，无需观察倾斜的壁板。轮廓保持精确，这对于精确的位置测量、直径检查或质量控制尤为重要。

为了最佳地照亮此类应用，建议使用区域照明系统。它们可确保均匀、无阴影的照明。

偏心物镜和远心物镜之间的直接比较

	偏心物镜	远心物镜
波束角	约 50°C	接近 0°C（平行）
透视失真	是	否
成像比例	深度变化时可变	恒定
测量精度	受限	非常高
显示侧壁	可行（例如带鱼眼）	不可行
典型的应用	目视检查，一般应用	精确的测量技术

工作距离

测试对象与光学元件（系统光学中心）的距离。

对象大小

在选择合适的光学元件时，检测对象或待检测区域的大小是一个决定性因素。对象或图像截面越大，光学元件的图像角度就越大，以实现完整、精确的采集。或者，也可以通过调整工作距离来实现这一点。

传感器尺寸

摄像头指定的传感器尺寸直接影响成像大小，对于选择合适的光学元件至关重要。大型传感器通常需要更高品质、更大的物镜，以照亮整个传感器表面并确保高质量的图像。

光学元件与传感器之间的距离

光学元件与传感器的距离由摄像头制造商和使用的连接螺纹确定。在这种情况下，有不同的接触尺寸。此外，可通过使用间隔环和焦距倍增器来调整距离。

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为了使图像处理获得最佳结果，不仅要选择合适的光学元件，还要根据特定的视野和所需的光强度调整照明。

其他决策标准

高品质的光学元件必须与摄像头、图像传感器以及各自的用途相匹配。视应用而定，例如测量、颜色测试、红外辐射检测、机器人应用或存在性检查，需要考虑不同的光学质量要求。

在选择物镜时，最重要的调整参数和决策标准是：

传感器和像素大小的分辨率

为获得最佳图像质量，传感器和物镜之间的匹配至关重要。物镜应具有高光学质量，以便在图像传感器上精确地呈现细节。像素大小在此起着核心作用：像素越小，物镜的分辨率和成像性能就必须越高，以充分利用传感器的性能。

现代化的制造技术使得像素结构越来越精细的愈加紧凑的传感器成为可能。这种倾向于更小型传感器和像素的趋势可提高集成密度，并可实现更高效的材料利用。同时，光敏度和噪声抑制的进步可提高图像质量，即使像素较小也如此。

基本上，以下情况适用：像素更大的大型传感器通常提供更高的光输出和更好的图像质量，但需要更多的空间，通常成本更高。

像素大小和物镜分辨率对图像质量的影响

相关图表显示摄像头传感器的像素大小与所用物镜的光学分辨率之间的关系。在这两个示例中，传感器大小保持恒定，而像素大小减小，总分辨率相应增加。

对于分辨率较低（即像素较大）的传感器，不同物镜之间的图像结果通常没有明显差异。但是，随着像素大小的减小，对物镜成像性能的要求也随之增加。在这种情况下，物镜的光学质量可显著提高图像清晰度和细节真实度。

如果传感器分辨率超过物镜的光学性能，则会明显影响图像质量。相反，如果像素密度在物镜可传输的极限频率范围内，则可以高效利用传感器。

因此，摄像头系统的整体图像质量不仅由传感器决定，而是由所有光学和电子组件的相互作用决定。因此，协调的系统设计对于在具有挑战性的图像处理应用中可靠地捕捉精细结构至关重要。

像圈直径

具有相同接口标准（如 C 口）的物镜在像圈直径上可能有所不同。像圈表示物镜均匀照亮的区域，没有明显的边缘阴影或亮度下降。

为确保传感器表面的完整均匀照明，物镜的像圈直径必须至少等于传感器尺寸。

也可以使用像圈直径较大的物镜。它们会改变图像角度，通常会带来更大的尺寸和更高的成本，但不会在传感器尺寸保持不变的情况下提高图像质量。

光圈调节

光圈是物镜中的可变开口，光线通过该开口进入传感器。其大小由一排重叠的瓣膜控制，在功能上与人眼的瞳孔相同。更小的光圈开口（更高的光圈数）可减少光量、延长曝光时间并增加焦深。更大的光圈开口（更小的光圈数）允许更多光线进入，可缩短曝光时间，但会降低焦深。

光圈直接影响以下因素：

镜头的曝光时间
图像中的焦深

焦深

焦深是指沿着光轴的区域，图像中的对象在该区域内具有足够的清晰度。它取决于光圈开口、焦距和成像比例。对于检测和测量任务而言，所有相关特征都必须位于该范围内。在固定定义的摄像头系统中，主要通过光圈开口控制焦深：较小的光圈（更高的光圈数）会增加焦深，但会减少光量，需要更长的曝光时间。只要模糊度小于传感器像素大小，图像就被视为清晰。

最小物体距离 (MOD)

MOD 是指物镜前透镜与对象之间的最短距离，在该距离下仍可进行清晰聚焦。它由物镜的光学结构、焦距和机械结构决定。

广角物镜通常具有较低的 MOD。还可以通过调暗或使用间隔环来缩小距离，从而增大与传感器的物体距离并降低近距离调节极限。

间隔环

间隔环安装在物镜和摄像头之间，增大传感器和透镜组之间的距离（图像宽度）。这样可以降低物镜的最近对焦距离。对象可以更靠近光学元件，成像的对象区域变小。因此，即使是非常小的图像截面，例如 9 mm × 6 mm 的区域，也可以使用标准物镜清晰捕捉。因此，间隔环提供了一种高效的近距离拍摄方式，可以作为宏观物镜的替代方案。

渐晕

渐晕是指图像边缘变暗，会使测量结果失真，并使物体识别变得困难，尤其是基于二进制图像的算法。

为了减少这种效果，建议使用较小的光圈开口或使用强大的均匀照明。这样可以最大程度地减少平直入射的边缘光束，这通常是导致变暗的原因。

常见问题解答

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