傳感器的尺寸

為工業(yè)相機(jī)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(jì)。通過(guò)將適當(dāng)鏡頭與傳感器相匹配，相機(jī)可以捕獲完整的圖像，而不會(huì)出現(xiàn)任何暈影。圖18中可以看到一個(gè)暈影示例，其中相機(jī)對(duì)咖啡杯進(jìn)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(jì)的鏡頭投射的陰影。

圖18｜咖啡杯圖像上的暈影

相機(jī)的傳感器尺寸決定了相機(jī)的裁切系數(shù)。通過(guò)選擇特定的焦距并更換相機(jī)以使用不同尺寸的傳感器，隨著傳感器尺寸減小，圖像將會(huì)越來(lái)越大。圖19中可以看到這一點(diǎn)，其中全畫(huà)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(huì)繼續(xù)放大。減小傳感器尺寸后，圖像會(huì)應(yīng)用裁切系數(shù)，這類似于鏡頭如何增加焦距進(jìn)行放大。因此，較小的傳感器將需要更寬的FoV來(lái)捕捉完整的目標(biāo)，或者需要相機(jī)保持一定的物理距離，直到畫(huà)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(lái)可視化裁切系數(shù)影響的圖像

圖20顯示了Teledyne Imaging相機(jī)提供的各種尺寸傳感器。最大尺寸傳感器代表是Teledyne DALSA Falcon4相機(jī)使用的中畫(huà)幅傳感器。最小尺寸代表是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(jué)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(duì)整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)造成的額外成本。一個(gè)小型傳感器可配備一個(gè)價(jià)格合理的定焦鏡頭，由于移動(dòng)部件更小更少，這種定焦鏡頭的價(jià)格范圍通常比較低。然而，與相機(jī)內(nèi)傳感器的尺寸相比，鏡頭的價(jià)格通常會(huì)成比例增加。對(duì)于中畫(huà)幅傳感器而言，分辨率會(huì)很高，因此所需光學(xué)元件需要達(dá)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(duì)比

如需了解更多不同相機(jī)傳感器尺寸背后的命名傳統(tǒng)，請(qǐng)閱讀Teledyne Lumenera的博文《成像應(yīng)用相機(jī)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(jìn)行調(diào)節(jié)。光圈開(kāi)口越大，相機(jī)可以為傳感器提供更多的光線。但是，這會(huì)導(dǎo)致DoF變淺，從而減小最遠(yuǎn)和最近對(duì)焦目標(biāo)之間的距離。

反之亦然，光圈開(kāi)口縮小會(huì)導(dǎo)致光線通過(guò)一個(gè)窄孔，并增加景深，從而使相機(jī)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(kāi)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(kāi)的范圍較大。圖21對(duì)這些光圈進(jìn)行了對(duì)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(qǐng)參閱我們的博文《通過(guò)鏡頭光圈優(yōu)化提高成像系統(tǒng)性能》。

光圈對(duì)比

圖21｜大光圈（左）和小光圈（右）對(duì)比

光學(xué)像差

成像時(shí)會(huì)出現(xiàn)多種類型的光學(xué)像差。光學(xué)元件沒(méi)有正確對(duì)齊，或者沒(méi)有采取某些步驟來(lái)確保適當(dāng)成像時(shí)，光學(xué)像差可能會(huì)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)各種類型的問(wèn)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(huì)更寬，這種情況所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)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(gè)理想的視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)大大增加成本。常見(jiàn)的像差為桶形失真（見(jiàn)圖22）。如需了解光學(xué)像差的詳細(xì)列表、光學(xué)像差的影響以及減少光學(xué)像差的方法，請(qǐng)閱讀博文《可能影響視覺(jué)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(duì)圖像的影響

球差是另一種常見(jiàn)的像差類型，會(huì)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(diǎn)上。圖23中可以看到這一點(diǎn)，底部的圖表顯示由于球差導(dǎo)致出現(xiàn)多個(gè)焦點(diǎn)，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(qǐng)閱讀博文《最小化球差：為您的成像系統(tǒng)選擇合適的鏡頭》”。

圖23｜用多焦點(diǎn)描述球差

不同鏡頭的應(yīng)用

市場(chǎng)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(huì)影響鏡頭對(duì)應(yīng)用的適用性。特別對(duì)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(duì)于視覺(jué)系統(tǒng)本身和/或相機(jī)可能與目標(biāo)有很大距離的其他應(yīng)用，長(zhǎng)焦鏡頭可能是最佳選擇。

航空成像

航空成像是一種獨(dú)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(jué)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(zhǎng)焦距的鏡頭（例如長(zhǎng)焦鏡頭）可能是最好的類型。長(zhǎng)焦鏡頭的優(yōu)勢(shì)在于能夠縮小目標(biāo)主體并能夠獲得更遠(yuǎn)目標(biāo)的更多細(xì)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(wú)需增加相機(jī)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最適合航空成像系統(tǒng)的信息，請(qǐng)參閱博文《航空成像的挑戰(zhàn)：實(shí)現(xiàn)清晰、輪廓鮮明的成像》。

廣角鏡頭通常可用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等應(yīng)用，因?yàn)槠銯oV更寬。與長(zhǎng)焦鏡頭相比，這種方案更可行，長(zhǎng)焦鏡頭需要無(wú)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(duì)同一區(qū)域進(jìn)行成像。在某些情況下，除了使用更寬的鏡頭之外，使用多臺(tái)小型相機(jī)來(lái)增加視覺(jué)系統(tǒng)的有效像素寬度可能會(huì)更好，甚至比僅使用更大的相機(jī)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(tái)相機(jī)相關(guān)的更多信息，請(qǐng)閱讀Teledyne Lumenera白皮書(shū)《在航空成像中使用單臺(tái)相機(jī)還是多臺(tái)相機(jī)》。

圖24｜一個(gè)2000萬(wàn)像素相機(jī)和兩個(gè)900萬(wàn)像素相機(jī)視野寬度對(duì)比

激光束輪廓測(cè)量

激光輪廓測(cè)量是成像應(yīng)用的其中一個(gè)示例，在這種類型的應(yīng)用中，使用不搭載任何鏡頭的相機(jī)可能更切實(shí)可行。因?yàn)樘砑硬ＡВɡ缦鄼C(jī)鏡頭）會(huì)產(chǎn)生光吸收和反射問(wèn)題。

在激光束輪廓測(cè)量中，分辨率是關(guān)鍵要素，因?yàn)榧す馐喞谕ㄟ^(guò)相機(jī)玻璃時(shí)發(fā)生任何變化都會(huì)產(chǎn)生主動(dòng)錯(cuò)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(guò)材料（甚至玻璃））強(qiáng)度或方向的可能性都會(huì)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(cè)量的準(zhǔn)確圖像，必須考慮相機(jī)內(nèi)部沒(méi)有任何玻璃（包括傳感器玻璃）。在這些情況下，Teledyne Lumenera特定相機(jī)型號(hào)的無(wú)蓋板玻璃（WOCG）訂購(gòu)選項(xiàng)可供用戶選擇。如需了解更多有關(guān)WOCG訂購(gòu)選項(xiàng)，請(qǐng)通過(guò)lumenera.info@teledyne.com聯(lián)系我們的成像專家。

圖25｜激光束輪廓測(cè)量

監(jiān)控

對(duì)于監(jiān)控和安全應(yīng)用，相機(jī)通常配備焦距較小的廣角鏡頭。在監(jiān)控環(huán)境時(shí)可以捕獲更寬的FoV。如果使用較窄的FoV，則需要增設(shè)相機(jī)來(lái)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(jī)搭配使用，從而創(chuàng)造更多成像可能性。但必須考慮相機(jī)的高度，因?yàn)樵趪L試使用更寬的鏡頭識(shí)別圖像數(shù)據(jù)時(shí)，更高的高度可能會(huì)面臨一定的問(wèn)題。在這些情況下，利用更長(zhǎng)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(jī)

在考慮視覺(jué)系統(tǒng)的安全適應(yīng)性時(shí)，P-IRIS鏡頭也很重要。使用P-IRIS鏡頭，相機(jī)可以通過(guò)軟件調(diào)節(jié)光圈值。相機(jī)放置在具有動(dòng)態(tài)照明的環(huán)境中時(shí)，這種鏡頭可能會(huì)有很大幫助，例如拍攝日夜光線水平對(duì)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(shì)信息，請(qǐng)閱讀我們的博文《視覺(jué)系統(tǒng)需要采用P-Iris鏡頭的理由》。

智能交通系統(tǒng)（ITS）

對(duì)于交通成像等需要將相機(jī)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(mén)架上），安裝高度對(duì)DoF有很大的促進(jìn)作用。在高速公路上使用長(zhǎng)焦鏡頭，能夠在各種距離內(nèi)對(duì)更多車輛進(jìn)行成像。這種選項(xiàng)可能會(huì)限制相機(jī)能夠準(zhǔn)確成像的車道數(shù)量。圖27比較了長(zhǎng)焦鏡頭捕捉單個(gè)車道上的多輛汽車圖像與廣角鏡頭同時(shí)捕捉多個(gè)車道圖像。調(diào)節(jié)為較小光圈，廣角鏡頭可以捕捉到更遠(yuǎn)距離的細(xì)節(jié)，或者使用多臺(tái)焦距更長(zhǎng)的相機(jī)，可以捕捉到更多的汽車圖像。鏡頭的最佳選擇取決于若干因素，包括但不限于相機(jī)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(jī)的部署位置，應(yīng)考慮采用各種焦距以找到最佳視覺(jué)解決方案。

圖27｜長(zhǎng)焦距和短焦距對(duì)比

選擇哪種鏡頭？

鏡頭是視覺(jué)系統(tǒng)的首要部分，對(duì)被捕獲光線有重要影響。因此了解鏡頭在通過(guò)光學(xué)元件彎曲時(shí)對(duì)光線造成的影響以及特定焦距提供最佳視角的位置非常重要。一個(gè)應(yīng)用適用的理想鏡頭可以歸結(jié)為幾個(gè)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(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)定?？偠灾⒉淮嬖谕昝赖溺R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(jué)系統(tǒng)方面的幫助，請(qǐng)通過(guò)lumenera.info@teledyne.com聯(lián)系我們的成像專家。