工业镜头成像模型【视觉知识】成像系统的普通模型|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

【视觉知识】成像系统的普通模型

成像系统的普通模型

光学系统的基本结构

光学系统的成像及其质量评价是传统光学研究的一个中心问题。我们知道光学系统对扩展物体所成的像,则是对应于构成物体的所有点的衍射斑的叠加。对于相于成像系统,像的复振幅分布是所有衍射斑的复振幅分布的线性叠加;对于非相于成像系统,像的强度分布是衍射斑强度分布的线性叠加。

大多数光学成像都不只限于用单个透镜，而是由若干光学元件组成的复合系统。因此，在考察光学系统对成像的影响时，必须找到对光束起实际限制作用的那个孔径，称为孔径光阑；孔径光阑对通过它前面的系统所成的像，称为系统的入射光瞳，它决定着进入系统的光束的大小。孔径光阑通过它后面的系统所成的像，称为系统的出射光瞳，它决定着从系统出射光束的大小。并且，入射光瞳、孔径光阑和出射光瞳三者相互共轭。

光学系统的成像普遍地可以用图一来表示。图中显示了成像的三个过程:(1)光波由物平面到入瞳平面:(2)由入瞳平面到出瞳平面;(3)由出瞳平面到像平面。这图示实际上表明,只要知道成像系统的边端性质(成像系统的边端由一个入瞳和一个出瞳组成),可以不必计及成像系统内部的结构和工作情况,就能够说明系统的性质。例如,对于无像差的理想成像系统(也称为衍射受限成像系统),它所表现出的边端性质是,可以将投射到入瞳的发散球面波变换成出瞳上的会聚球面波。而对于有像差的成像系统,表现出出上的波前将偏离理想球而波形,产生波像差。

图一：成像系统的普遍模型

双高斯结构的特点及优化方法

目前常用的双高斯结构设计成像镜头，双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图二所示。

图二：双高斯物镜的基本结构

由于双高斯物镜是一个对称系统，所以很容易校正垂直像差。在设计这种类型的系统时，我们只需要考虑球面像差、色差、场曲率和像散的校正。在双高斯物镜中，可以通过厚透镜的结构变化来校正场曲率，可以通过薄透镜的弯曲来校正球面像差，可以通过改变两个厚透镜之间的距离来校正像散，并且可以通过将粘合表面插入厚透镜来校正色差。双高斯物镜的半系统可以看作是厚透镜的演变。修正了皮特斯旺场曲率的厚透镜是月牙形的，两个球体的半径相等。在厚透镜后面添加了由正透镜和负透镜组成的非焦点薄透镜组，这对整个光焦度的分布和像差分布没有明显影响。然后靠近厚透镜的负透镜与厚透镜分离并集成，从而形成两个具有不同球面半径的厚透镜和一个具有正光焦度的薄透镜的双高斯物镜半系统。

【来源：光虎视觉内部培训资料】

什么是工业相机？CCD和CMOS有什么区别？

工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，市面上工业相机大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相机。

CCD和CMOS有什么区别。

CCD：

CCD使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想象来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CMOS：

CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电）和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点，这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。

CCD与CMOS的区别

技术的角度比较，CCD与CMOS的区别有如下四个方面的不同：

1.信息读取方式

CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。

2.速度

CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。

3.电源及耗电量

CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。

4.成像质量

CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

为什么选择CCD而不是CMOS：

在工业环境下进行视觉系统的使用时，一般来说环境会比较恶略，可能周围会存在强磁场的干扰、会在温度较高的场合连续长时间工作、会对抓取的图片的有更严格的要求等等。那么CCD类型的工业相机正好能满足我们的需求。CCD对比起CMOS最大的一个特点就是CCD的成像更好，抓取下来的图片更清晰，色泽更稳定，能帮我们在后期进行图像处理分析的时候省下更多的功夫和精力。