景深、工作距離、物像距離

通俗而言，景深即在鏡頭架設(shè)好后，與被測物體間相對距離不做任何調(diào)節(jié)的情況下，可接受的能清晰成像的物方空間范圍。

在機(jī)器視覺中，相機(jī)芯片為光學(xué)系統(tǒng)的像平面，物方與像平面共軛的平面稱為對準(zhǔn)平面。嚴(yán)格的來講除對準(zhǔn)平面上的點(diǎn)能成點(diǎn)像外，其他空間點(diǎn)在像平面上成像為彌散斑。但由于芯片的分辨率是有限的，因此當(dāng)彌散斑小于一定限度時(shí)，仍可認(rèn)為是一個(gè)像點(diǎn)，即成像清晰。

因此景深定義為：能在像平面上獲得清晰像的物方空間深度范圍稱為景深。能成清晰像的zui遠(yuǎn)的物平面稱為遠(yuǎn)景平面，它與對準(zhǔn)平面的距離稱為遠(yuǎn)景深度Δ1；能成清晰像的近的物平面稱為近景平面，它與對準(zhǔn)平面的距離稱為近景深度Δ2；景深=遠(yuǎn)景深度+近景深度。如下圖所示：

景深可由下式計(jì)算：

隨著近年相機(jī)芯片像元尺寸的減小，彌散斑取0.04mm已遠(yuǎn)大于芯片的分辨能力。而且嚴(yán)格而言，不同像元尺寸的相機(jī)，由于允許的彌散斑大小不同，同一個(gè)鏡頭的景深也有差異。機(jī)器視覺行業(yè)各鏡頭廠商仍以彌散斑直徑=0.04mm來計(jì)算景深。因此有經(jīng)驗(yàn)的工程師會(huì)發(fā)現(xiàn)鏡頭實(shí)際測試出的景深值<目錄上標(biāo)示出的景深理論值。

由上式可以看出，景深跟鏡頭有效Fno.成正比。因此對于光闌可調(diào)的鏡頭, 當(dāng)Fno.為1.4，即光闌開口大時(shí)，景深小。當(dāng)減小Fno.為8，即光闌開口調(diào)小時(shí)，景深增大。

另外，由上式還可看出，當(dāng)鏡頭Fno.相同時(shí)，鏡頭放大倍率越小，景深越大。    

工作距離及物像距離

工作距離(WD)是指鏡頭下端機(jī)械面到物體的距離。

物像距離(O/I)是指物平面到相機(jī)芯片間的距離。

物像距離=工作距離+鏡頭本體長度+法蘭距。

其中對于常見的C口鏡頭和相機(jī)，法蘭距為17.526mm。

在機(jī)器視覺行業(yè)中，許多鏡頭設(shè)計(jì)時(shí)為了保證成像質(zhì)量，工作距離通常為一個(gè)固定值或一個(gè)較窄的范圍。如遠(yuǎn)心鏡頭，作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的工作距離是40mm、65mm、110mm。

因此在實(shí)際項(xiàng)目中，我們建議進(jìn)行設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)前應(yīng)先考慮視覺系統(tǒng)，使鏡頭工作距離的選擇不受機(jī)械空間的限制，從而在保證光學(xué)性能的同時(shí)降低成本。否則可能因?yàn)橐粋€(gè)特殊的工作距離要求，導(dǎo)致選型十分困難，不得不定制鏡頭。

在線陣項(xiàng)目中，由于各相機(jī)廠商定義的法蘭距不同（如同樣是M72*0.75接口，法蘭距可能為6.56mm, 9.4mm, 12mm, 19.55mm等）， 且線陣鏡頭通常需搭配很長的轉(zhuǎn)接環(huán)，此時(shí)物像距離對于選型而言變得更有意義。因此作為專業(yè)的機(jī)器視覺從業(yè)者，我們與客戶溝通時(shí)，需要正確判斷客戶所描述的空間是指工作距離還是物像距離。

鏡頭像圈

像圈（image circle）是指入射光線通過鏡頭后，在焦平面上呈現(xiàn)出的圓形的明亮清晰的影像幅面，也稱像面大小。鏡頭像圈由鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)決定，一旦設(shè)計(jì)完成，其對應(yīng)的像圈就確定了。

在機(jī)器視覺中，由于感光器件為相機(jī)芯片，芯片尺寸即為成像靶面大小。由于鏡頭像圈為圓形，相機(jī)靶面為長方形，因此鏡頭與相機(jī)搭配時(shí)，必須使鏡頭的像圈直徑≥相機(jī)靶面的對角線長度（如右圖所示）。否則，相機(jī)靶面的四角會(huì)形成暗區(qū)（如左圖所示）從而影響成像質(zhì)量，這種現(xiàn)象稱為漸暈。

如CMOSIS CMV2000芯片，對角線長度為12.8mm. 若鏡頭的像圈為Ф11mm(廠家或表述為：鏡頭大兼容芯片尺寸為2/3'), 那此款鏡頭搭配使用該芯片的相機(jī)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)漸暈。