傳感器的尺寸

為工業(yè)相機選擇合適的鏡頭需要了解傳感器的兼容性。本文描述的與各種特定尺寸傳感器兼容的鏡頭接口設(shè)計。通過將適當(dāng)鏡頭與傳感器相匹配，相機可以捕獲完整的圖像，而不會出現(xiàn)任何暈影。圖18中可以看到一個暈影示例，其中相機對咖啡杯進行成像，但較大的傳感器產(chǎn)生了專為較小傳感器尺寸而設(shè)計的鏡頭投射的陰影。

圖18｜咖啡杯圖像上的暈影

相機的傳感器尺寸決定了相機的裁切系數(shù)。通過選擇特定的焦距并更換相機以使用不同尺寸的傳感器，隨著傳感器尺寸減小，圖像將會越來越大。圖19中可以看到這一點，其中全畫幅35mm傳感器代表全尺寸圖像，傳感器尺寸一直減小至?”傳感器，該圖像會繼續(xù)放大。減小傳感器尺寸后，圖像會應(yīng)用裁切系數(shù)，這類似于鏡頭如何增加焦距進行放大。因此，較小的傳感器將需要更寬的FoV來捕捉完整的目標(biāo)，或者需要相機保持一定的物理距離，直到畫幅內(nèi)出現(xiàn)完整的目標(biāo)。

圖19｜一組焦距相同、但使用不同傳感器來可視化裁切系數(shù)影響的圖像

圖20顯示了Teledyne Imaging相機提供的各種尺寸傳感器。比較大尺寸傳感器代表是Teledyne DALSA Falcon4相機使用的中畫幅傳感器。比較小尺寸代表是Teledyne DALSA Genie Nano C/M640采用的傳感器。傳感器尺寸多種多樣性只是代表可用于各種視覺系統(tǒng)可能采用的鏡頭數(shù)量。由于每種類型的傳感器都有各種兼容的鏡頭，因此重要的是了解鏡頭可能對整個視覺系統(tǒng)造成的額外成本。一個小型傳感器可配備一個價格合理的定焦鏡頭，由于移動部件更小更少，這種定焦鏡頭的價格范圍通常比較低。然而，與相機內(nèi)傳感器的尺寸相比，鏡頭的價格通常會成比例增加。對于中畫幅傳感器而言，分辨率會很高，因此所需光學(xué)元件需要達到非常高的質(zhì)量，從而大大增加系統(tǒng)成本。

圖20—不同傳感器尺寸對比

如需了解更多不同相機傳感器尺寸背后的命名傳統(tǒng)，請閱讀Teledyne Lumenera的博文《成像應(yīng)用相機選擇中傳感器尺寸的重要性》。

光 圈

根據(jù)圖像需要聚焦的程度，光圈可能需要進行調(diào)節(jié)。光圈開口越大，相機可以為傳感器提供更多的光線。但是，這會導(dǎo)致DoF變淺，從而減小比較遠和比較近對焦目標(biāo)之間的距離。

反之亦然，光圈開口縮小會導(dǎo)致光線通過一個窄孔，并增加景深，從而使相機拍攝到的圖像中有更多的聚焦區(qū)域。光圈用f-stop值表示。f-stop可能是F1.4、F2、F5.6、F11、F16、F22，以及許多其他可能值。f-stop值表示光圈在鏡頭內(nèi)的閉合或打開程度。該值較高（例如F22）表示光圈較小甚至幾乎關(guān)閉，而該值較低（例如F5）則表示光圈打開的范圍較大。圖21對這些光圈進行了對比。如需了解更多有關(guān)光圈在任何成像系統(tǒng)中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，請參閱我們的博文《通過鏡頭光圈優(yōu)化提高成像系統(tǒng)性能》。

光圈對比

圖21｜大光圈（左）和小光圈（右）對比

光學(xué)像差

成像時會出現(xiàn)多種類型的光學(xué)像差。光學(xué)元件沒有正確對齊，或者沒有采取某些步驟來確保適當(dāng)成像時，光學(xué)像差可能會導(dǎo)致圖像出現(xiàn)各種類型的問題。在某些情況下，光學(xué)像差并不是一件壞事。使用廣角鏡頭，F(xiàn)oV會更寬，這種情況所帶來的優(yōu)點可能比圖像邊緣出現(xiàn)的像差更重要。

消除光學(xué)像差可能成本很高。使用可校正所有可能像差的鏡頭構(gòu)建一個理想的視覺系統(tǒng)會大大增加成本。常見的像差為桶形失真（見圖22）。如需了解光學(xué)像差的詳細列表、光學(xué)像差的影響以及減少光學(xué)像差的方法，請閱讀博文《可能影響視覺系統(tǒng)的六種光學(xué)像差》。

圖22｜白色網(wǎng)格線的桶形失真顯示了廣角鏡頭扭曲對圖像的影響

球差是另一種常見的像差類型，會導(dǎo)致圖像邊緣模糊。出現(xiàn)球差的原因在于大多數(shù)鏡頭光學(xué)元件是球形形狀，導(dǎo)致光線沿光軸聚焦在不同的點上。圖23中可以看到這一點，底部的圖表顯示由于球差導(dǎo)致出現(xiàn)多個焦點，頂部顯示修復(fù)像差使用的非球面鏡頭。如需了解更多有關(guān)球差影響圖像以及減輕這種影響的方法，請閱讀博文《比較小化球差：為您的成像系統(tǒng)選擇合適的鏡頭》”。

圖23｜用多焦點描述球差

不同鏡頭的應(yīng)用

市場上有各種各樣的鏡頭，根據(jù)具體的成像應(yīng)用，每種鏡頭都有非常特定的用途。與傳感器兼容的光圈、焦距和裁切系數(shù)等因素都會影響鏡頭對應(yīng)用的適用性。特別對于焦距而言，在需要寬FoV的應(yīng)用中，通常選擇使用廣角鏡頭。對于視覺系統(tǒng)本身和/或相機可能與目標(biāo)有很大距離的其他應(yīng)用，長焦鏡頭可能是比較佳選擇。

航空成像

航空成像是一種獨特的應(yīng)用，可以使用許多不同類型的鏡頭。選擇航空成像鏡頭的關(guān)鍵是了解地面采樣距離（GSD）。GSD與搭載有視覺系統(tǒng)的飛行器的高度有直接關(guān)系。然而，在海拔較高的應(yīng)用中，較長焦距的鏡頭（例如長焦鏡頭）可能是比較好的類型。長焦鏡頭的優(yōu)勢在于能夠縮小目標(biāo)主體并能夠獲得更遠目標(biāo)的更多細節(jié)。在海拔較低的成像應(yīng)用中，使用廣角鏡頭（例如17mm鏡頭）可能更合適，以便能夠更好地捕捉更多環(huán)境，無需增加相機的高度。如需了解更多有關(guān)GSD以及如何衡量哪種類型的鏡頭比較適合航空成像系統(tǒng)的信息，請參閱博文《航空成像的挑戰(zhàn)：實現(xiàn)清晰、輪廓鮮明的成像》。

廣角鏡頭通?？捎糜诰珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)等應(yīng)用，因為其FoV更寬。與長焦鏡頭相比，這種方案更可行，長焦鏡頭需要無人駕駛飛行器（UAV）使用更多電池飛到更高的高度，然后才能使用鏡頭對同一區(qū)域進行成像。在某些情況下，除了使用更寬的鏡頭之外，使用多臺小型相機來增加視覺系統(tǒng)的有效像素寬度可能會更好，甚至比僅使用更大的相機和傳感器更有效，如圖所示24。如需了解航空成像中使用多臺相機相關(guān)的更多信息，請閱讀Teledyne Lumenera白皮書《在航空成像中使用單臺相機還是多臺相機》。

圖24｜一個2000萬像素相機和兩個900萬像素相機視野寬度對比

激光束輪廓測量

激光輪廓測量是成像應(yīng)用的其中一個示例，在這種類型的應(yīng)用中，使用不搭載任何鏡頭的相機可能更切實可行。因為添加玻璃（例如相機鏡頭）會產(chǎn)生光吸收和反射問題。

在激光束輪廓測量中，分辨率是關(guān)鍵要素，因為激光束輪廓在通過相機玻璃時發(fā)生任何變化都會產(chǎn)生主動錯誤信息。捕捉激光束輪廓的目的是了解從光源發(fā)出的光分布的均勻度。因此，任何改變光（穿過材料（甚至玻璃））強度或方向的可能性都會導(dǎo)致圖像的有效分辨率降低。為了確保拍攝激光束輪廓測量的準(zhǔn)確圖像，必須考慮相機內(nèi)部沒有任何玻璃（包括傳感器玻璃）。在這些情況下，Teledyne Lumenera特定相機型號的無蓋板玻璃（WOCG）訂購選項可供用戶選擇。如需了解更多有關(guān)WOCG訂購選項，請通過lumenera.info@teledyne.com聯(lián)系我們的成像專家。

圖25｜激光束輪廓測量

監(jiān)控

對于監(jiān)控和安全應(yīng)用，相機通常配備焦距較小的廣角鏡頭。在監(jiān)控環(huán)境時可以捕獲更寬的FoV。如果使用較窄的FoV，則需要增設(shè)相機來替代廣角鏡頭的FoV。CS-接口鏡頭通常用于監(jiān)控，但可能也可以選擇C-接口鏡頭。C接口鏡頭也可以與CS-接口相機搭配使用，從而創(chuàng)造更多成像可能性。但必須考慮相機的高度，因為在嘗試使用更寬的鏡頭識別圖像數(shù)據(jù)時，更高的高度可能會面臨一定的問題。在這些情況下，利用更長的焦距更好地放大感興趣的主體可能很重要。

圖26｜Teledyne Lumenera Lt系列C-接口P-IRIS相機

在考慮視覺系統(tǒng)的安全適應(yīng)性時，P-IRIS鏡頭也很重要。使用P-IRIS鏡頭，相機可以通過軟件調(diào)節(jié)光圈值。相機放置在具有動態(tài)照明的環(huán)境中時，這種鏡頭可能會有很大幫助，例如拍攝日夜光線水平對圖像質(zhì)量影響很大的建筑物外部。如需了解更多有關(guān)P-Iris的優(yōu)勢信息，請閱讀我們的博文《視覺系統(tǒng)需要采用P-Iris鏡頭的理由》。

智能交通系統(tǒng)（ITS）

對于交通成像等需要將相機安裝在被成像區(qū)域上方高處的應(yīng)用（例如，在高速公路上方的柱子或龍門架上），安裝高度對DoF有很大的促進作用。在高速公路上使用長焦鏡頭，能夠在各種距離內(nèi)對更多車輛進行成像。這種選項可能會限制相機能夠準(zhǔn)確成像的車道數(shù)量。圖27比較了長焦鏡頭捕捉單個車道上的多輛汽車圖像與廣角鏡頭同時捕捉多個車道圖像。調(diào)節(jié)為較小光圈，廣角鏡頭可以捕捉到更遠距離的細節(jié)，或者使用多臺焦距更長的相機，可以捕捉到更多的汽車圖像。鏡頭的比較佳選擇取決于若干因素，包括但不限于相機的幀率、環(huán)境條件以及可覆蓋的車道數(shù)。因此，根據(jù)相機的部署位置，應(yīng)考慮采用各種焦距以找到比較佳視覺解決方案。

圖27｜長焦距和短焦距對比

選擇哪種鏡頭？

鏡頭是視覺系統(tǒng)的首要部分，對被捕獲光線有重要影響。因此了解鏡頭在通過光學(xué)元件彎曲時對光線造成的影響以及特定焦距提供比較佳視角的位置非常重要。一個應(yīng)用適用的理想鏡頭可以歸結(jié)為幾個因素，包括傳感器的尺寸、系統(tǒng)的光學(xué)要求，以及物理結(jié)構(gòu)是否符合視覺系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)規(guī)定?？偠灾?，并不存在完美的鏡頭。但有許多鏡頭更適用于特定情形。如欲得到構(gòu)建任何應(yīng)用的適當(dāng)視覺系統(tǒng)方面的幫助，請通過lumenera.info@teledyne.com聯(lián)系我們的成像專家。