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機器視覺『鏡頭』Q&A

Q. 鏡頭的搭配有注意事項嗎?
 
►答:
 
1.視野(Field of View)→FOV
2.景深(Depth of View)→DOF
3.光圈(IRIS/Aperture)→F-Number(F/#)
4.焦距長(Focal length)→f
5.視角(View / angle)
6.解析力(Resolution)
 
 
 
Q. 鏡頭的搭配有注意事項嗎?
 
►答:
 
鏡頭搭配時需一同考慮相機的規格,須注意事項如下:

1.鏡頭或相機的Mount可分為如CS-Mount、C-Mount、F-Mount或者是廠商自行定義的Mount,例如:Shneider的M42-Mount,M72-Mount,若遇到兩者之間為不同Mount時,可詢問供應商是否有轉接環。

 

工業用相機常用接口((Mount)

後焦 FBL

安裝介面

C-Mount

17.526mm

螺紋接口, 1x 1/32 inch

CS-Mount

12.5mm

螺紋接口, 1x 1/32 inch

NF-Mount

12mm

螺紋接口,M17x0.75mm

F-Mount

46.5 mm

Nikon卡口

 

C vs. CS mount 注意事項

 

2.鏡頭搭配相機時,須注意鏡頭本身可否支援相機的SENSOR SIZE,例如:鏡頭規格為可容納1/2",1/3"的sensor,此時若搭配1"的相機SENSOR,將會造成邊緣影像黑掉的問題。

3.工作距離是否符合需求,若有工作距離限制,可參考鏡頭規格,此因素考慮牽涉現場機台的架設位置。

 
 
 
 
Q. 如何選擇CCTV鏡頭?
 
►答:
 
  1. 焦距長(Focal Length):鏡頭的焦距長是以mm為量測單位是和視角有直接關係。短焦距提供廣角視野,而長焦距提供望遠視野,即窄視角。
  2. 相機格式(Camera Format):CCD Sensor大小也會影響視角,使用相同鏡頭,較小的感光裝置會產生較窄視角。鏡頭的格式(format)是和視角沒關聯的,鏡頭只是投射影像到感光裝置的範圍內,也就是要投射到相同或更大格式的感光裝置上。
  3. 光圈值(F Stop):最小F值表示鏡頭全開,最大F值表示鏡頭全關。F值大小也直接影響鏡頭景深。
  4. 景深(Depth of Field):景深表示聚焦清楚的範圍,長景深表示聚焦清楚範圍大,短景深表示聚焦清楚範圍小。廣角鏡頭通常比望遠鏡頭有較大景深,高F值也有較大景深。
  5. F-Number:F數值是光通過鏡頭量大小的表示。F數值愈小表示通過的光量多,F數值是焦距長和有效開口的比值。F number=f/d f:focal length,d:effective diameter
 
 
Q. 光學鏡頭成像原理
 
►答:
 

一般CCTV

  • 簡單製作,小型化
  • 主光線與鏡頭維持一定的角度,
  • 鏡片組合較少,影像的大小會隨著距離不同而有所改變

物體側Telecentric

  • 物體側光線與鏡頭光主軸線平行
  • 成像大小不會隨著物體距離高低不同而改變
  • 配合同軸照明是最理想的方式
  • 鏡頭的後焦會隨著WD的改變,而有稍微改變
  • 在低倍率時,為維持減少變形量,前面的鏡頭較大

雙側Telecentric 

  • 物體側和像側光線和鏡片平行
  • 在景深內,焦距不會隨著工作距離而產生變化

像側Telecentric 

  • 像側的光線和鏡頭主光線平行
  • 焦距會隨著工作距離改變而跟著改變
 
 
 
 
 
 
 
Q. CCTV鏡頭與Telecentric遠心鏡頭之差異
 
►答:

 

Standard Lens拍攝效果(CCTV/Macro lens) Telecentric Lens拍攝效果

 

 

 

CCTV 鏡頭特點

 

1.價格較便宜

2.會隨工件距離不同,影像大小改變

3.可搭配延伸環,達到放大效果

4.有變焦鏡頭供選擇

5.工作距離很長(低倍率)

6.失真高(高倍率時)

7.可用不同濾鏡加強影像特徵

遠心鏡頭特性

 

1.倍率較高(與CCTV相比)HR系列最高倍率可達12倍

2.工作距離固定

3.鏡頭配對與相機sensor關係密切

4.鏡頭一定比FOV大

5 體積較大

 

 
 
 
 
Q. 工作距離(WD;Working Distance)
 
►答:
 
一般指的是鏡頭最前端到被測物之距離。
 
 
 
 
 
 
Q. 景深(DOF;Depth of field)
 
►答:
 
所謂景深,就是當焦距對準某一點,能聚焦清楚最近和最遠點之間的距離,受鏡頭焦距長短、光圈大小及拍照主體的距離影響。
鏡頭焦距越長景深越短,焦距越短景深越長。光圈越大景深越短,光圈越小景深越長。主體越近景深越短,主體越遠景深越長。
D.O.F = 2 x  [ permissible circle of confusion x effective F-no ÷ M2]
 
 
 
 
 
Q. 焦距(Focal Length)
 
►答:
 
也稱為焦長,是光學系統中衡量光的聚集或發散的度量方式,指從透鏡中心到光聚集之焦點的距離,簡單來說就是從焦點到透鏡中心的距離。焦點:行光線通過透鏡形成的像點。像距:像點到透鏡中心的距離。鏡頭的
焦距長以mm為量測單位是和視角有直接關係。短焦距提供廣角視野﹔而長焦距提供望遠視野,即窄視角 。
各式鏡片焦點F和焦距f之圖示說明如下:
 
 
 
 
 
Q. 可視範圍(FOV;field of View)
 
►答:
 
 
 
相機搭配鏡頭後,所成像的實際大小,公式為FOV=SENSOR SIZE / 光學倍率。
 
 

可視範圍

相機接鏡頭後,實際可以拍攝到的範圍通常以 長*寬 (mm)表示

 

 
 
Q. 光圈(IRIS)
 
►答:
 
光圈是用來控制光線透過鏡頭,進入機身內感光面的光量裝置,通常是在鏡頭內。表達光圈大小通常用F-NUMBER(f/#)表示。
(光圈值=焦距/有效孔徑 (分母越大,值就越小)
 
 
 
 
 
 
Q. 鏡頭變形量(Distortion)
 
►答:
 
 
鏡頭變形量是指影像的變形程度,正負值分別代表呈枕狀變形或桶狀變型。  
-枕狀變形(Pincushion Distortion),Distortion呈正值,因光學鏡頭的鏡片拋光角度的誤差所造成的光學變形。
  影像四邊往內凹,看起來像X狀的枕頭的一種變形。 
-桶狀變形(Barrel Distortion),Distortion 呈負值,是因為光學鏡頭的鏡片拋光角度的誤差所造成的光學變形。
  影像的四邊往外凸,看起來像酒桶一樣的變形。
一般鏡頭於邊緣位置都有變形的問題,以CCTV鏡頭為例;
       1.越接近影像中間較無變形問題,越接近邊緣越有變形的問題。 
       2.越短焦的鏡頭,變形量越大。 
       3.一般量測避免使用短焦鏡頭。
 
 
 
一般CCTV與超低變形量CCTV LENS拍攝效果之差異

 

 

一般CCTV Lens

變形量大

超低變形量CCTV Lens

變形量小

 
 
 
 
 
Q. NA值
 
►答:
 
指鏡頭入射角一半,NA值越大,鏡頭亮度越高。
 
 
 
 
 
 
Q. F值(F-NUMBER):
 
►答:
 
F值是光通過鏡頭大小的表示。F值愈小表示通過的光愈多,F值是焦距長和鏡頭光圈有效開口的比值。
F-NUMBER = f/D         f:焦距長(focal length)      D:鏡頭光圈(effcetive diameter)
 
 
 
 
 
Q. 螢幕變形量(TV distortion):
 
►答:
 
在螢幕上,所呈現出來的實際影像與理想影像差別的比值,通常以數值表示。
 
 
 
 
 
 
Q. 動態範圍(Dynamic Range):
 
►答:
 
感光元件能紀錄的光度範圍。DR值愈高,能紀錄的高光位與暗光位的細節就愈多。
 
 
 
 
 
 
Q. 調制轉換函數(Modulation Transfer Function, MTF)
 
►答:
 
使用反差對比的概念來檢定鏡頭解像力,所謂的反差對比就是1mm的寬度中,正弦濃度變化反覆有幾次的意思,原本充足的反差可以很容易辨識出兩條線來,而當空間頻率加大時,也就是線條越緊密時,反差也逐漸縮小,
終於反差衰減到全部變成灰色,再也分辨不出黑白條紋來,就表示鏡頭的解像力已到極限。MTF 是空間頻率的函數,單位是cycle/mm 或cycle/mrad,應用於鏡頭上,則為單位長度裡一黑線一白線的反覆次數,一黑線一白線的組合為一個cycle,稱為line pair。一般常用的單位為Lp/mm,代表每mm有幾條line pairs,也就是每mm 或mrad 所含的黑白條紋數,其物理意義為像的明暗對比與物的明暗對比的比值。
 
 
 
 
 
 
Q. 解像力(Resolution Power)
 
►答:
 
指可清楚地分辨出最細小影像的能力。鏡頭的解像力指的是鏡頭對於被攝體的點像,它的再現能力。通常在說明一顆鏡頭的 resolution 能力時,多以每單位距離可分辨的線條數表示(lines/mm),當數字愈大時,則表示在每
單位距離中可分辨的線條數愈多,其解像力愈好。
 
 
 
 
光學常用計算公式
 
 
Q. 如何正確地選擇適合的CCTV
 
►答:
 
FOV = sensor size/倍率
Pixel size = sensor size/解析度
1 Pixel精度= FOV H(or V)/解析度or 1 Pixel精度= Pixel /倍率
 
範例:解析度: 659x494,  sensor size: 4.88x3.66mm, 倍率: 2X
        FOV = sensor size /倍率= 4.88/2 = 2.44
        Pixel size = sensor size /解析度= 4.88/659 = 0.0074mm = 7.4μm
        1 Pixel精度= FOV H (or V) /解析度or 1 Pixel精度= Pixel /倍率
        1 Pixel精度= 2.44/659= 0.0037mm= 3.7μm or 1 Pixel精度= 7.4/2= 3.7μm

 

 
 
 
Q. FOV(H)可視範圍高度如何計算
 
►答:
 
範例:使用焦距25mm的CCTV lens,sensor size為1/2"的相機,工作距離約250cm,試問可視範圍高度為多少?