通俗而言,景深即在镜头架设好后,与被测物体间相对距离不做任何调节的情况下,可接受的能清晰成像的物方空间范围。
在机器视觉中,相机芯片为光学系统的像平面,物方与像平面共轭的平面称为对准平面。严格的来讲除对准平面上的点能成点像外,其他空间点在像平面上成像为弥散斑。但由于芯片的分辨率是有限的,因此当弥散斑小于一定限度时,仍可认为是一个像点,即成像清晰。
因此景深定义为:能在像平面上获得清晰像的物方空间深度范围称为景深。能成清晰像的zui远的物平面称为远景平面,它与对准平面的距离称为远景深度Δ1;能成清晰像的近的物平面称为近景平面,它与对准平面的距离称为近景深度Δ2;景深=远景深度+近景深度。如下图所示:
景深可由下式计算:
随着近年相机芯片像元尺寸的减小,弥散斑取0.04mm已远大于芯片的分辨能力。而且严格而言,不同像元尺寸的相机,由于允许的弥散斑大小不同,同一个镜头的景深也有差异。机器视觉行业各镜头厂商仍以弥散斑直径=0.04mm来计算景深。因此有经验的工程师会发现镜头实际测试出的景深值<目录上标示出的景深理论值。
由上式可以看出,景深跟镜头有效Fno.成正比。因此对于光阑可调的镜头,当Fno.为1.4,即光阑开口大时,景深小。当减小Fno.为8,即光阑开口调小时,景深增大。
另外,由上式还可看出,当镜头Fno.相同时,镜头放大倍率越小,景深越大。
工作距离及物像距离
工作距离(WD)是指镜头下端机械面到物体的距离。
物像距离(O/I)是指物平面到相机芯片间的距离。
物像距离=工作距离+镜头本体长度+法兰距。
其中对于常见的C口镜头和相机,法兰距为17.526mm。
在机器视觉行业中,许多镜头设计时为了保证成像质量,工作距离通常为一个固定值或一个较窄的范围。如远心镜头,作为行业标准的工作距离是40mm、65mm、110mm。
因此在实际项目中,我们建议进行设备机械设计前应先考虑视觉系统,使镜头工作距离的选择不受机械空间的限制,从而在保证光学性能的同时降低成本。否则可能因为一个特殊的工作距离要求,导致选型十分困难,不得不定制镜头。
在线阵项目中,由于各相机厂商定义的法兰距不同(如同样是M72*0.75接口,法兰距可能为6.56mm, 9.4mm, 12mm, 19.55mm等),且线阵镜头通常需搭配很长的转接环,此时物像距离对于选型而言变得更有意义。因此作为专业的机器视觉从业者,我们与客户沟通时,需要正确判断客户所描述的空间是指工作距离还是物像距离。
镜头像圈
像圈(image circle)是指入射光线通过镜头后,在焦平面上呈现出的圆形的明亮清晰的影像幅面,也称像面大小。镜头像圈由镜头光学结构决定,一旦设计完成,其对应的像圈就确定了。
在机器视觉中,由于感光器件为相机芯片,芯片尺寸即为成像靶面大小。由于镜头像圈为圆形,相机靶面为长方形,因此镜头与相机搭配时,必须使镜头的像圈直径≥相机靶面的对角线长度(如右图所示)。否则,相机靶面的四角会形成暗区(如左图所示)从而影响成像质量,这种现象称为渐晕。
如CMOSIS CMV2000芯片,对角线长度为12.8mm.若镜头的像圈为Ф11mm(厂家或表述为:镜头大兼容芯片尺寸为2/3'),那此款镜头搭配使用该芯片的相机时,就会出现渐晕。