光学基础概念—视场、分辨率和畸变的概念

视场

在选择适合的视场时，通常需要考虑以下因素：

• 被观察物体的尺寸：视场应大于或等于目标物体的最大尺寸，以确保物体能被完全覆盖。

• 镜头放大倍率：镜头的放大倍率决定了图像在相机传感器上的放大程度，直接影响到视场的大小。选择合适的镜头放大倍率可以确保目标物体被适当地放大，有利于后续的图像分析处理。

• 相机芯片尺寸：不同尺寸的相机芯片对视场的覆盖范围有显著影响。较大的芯片可以提供更广阔的视场，适合大范围捕捉；较小的芯片则适用于对细节有高要求的应用。

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• 分辨率

  在光学系统中，分辨率是指两个相邻物体点（或像点）之间能够被系统分辨开的最小距离。我们通常将镜头的物方分辨率和像方分辨率分别记为 Resolution（物）和 Resolution（像）。其单位为微米（µm），并通过以下公式计算：

      另一个相关的指标是解像力，表示每毫米内的黑白线对数，以 Resolving power 记为 line/mm 或 lp/mm。计算公式如下

Resolvingpower=1/Resolution(像)

镜头与相机的分辨率匹配

      工程师们通常会将注意力集中在相机的分辨率上，而忽视了镜头分辨率的重要性。实际上，只有当相机和镜头的分辨率匹配时，才能实现最佳成像效果。图像清晰度与两者的匹配密切相关。

      物方的两个点在相机芯片上成像的最小距离需满足如下条件，才能被清晰分辨。以相机像元尺寸为 5 微米、镜头放大倍率为 0.5 倍为例：

         Resolution(物) = 2 X 5um / 0.5 = 20um

分辨率与精度的区分
      镜头的物方分辨率与测量精度容易混淆，但两者有明显区别。精度指的是测量值与真实值之间的差异。比如，如果产品的实际尺寸为 1.0 毫米，精度要求为 ±5 微米，则只要测得的值在 0.995 毫米至 1.005 毫米之间，即符合精度要求。

在机器视觉中，通常根据客户的视场（FOV）和精度要求计算相机分辨率。选定相机后，像元尺寸即确定。在此基础上，再选择与相机匹配的镜头分辨率，以确保系统达到精度要求。例如，如果客户需要观察 5 微米大小的目标物体，镜头的物方分辨率需小于 10 微米。

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• 畸变

• 畸变是光学系统中的一个常见参数，是影响光学测量精度的重要因素之一。它体现的是物体成像的失真程度，通常导致成像的变形但不会对图像的清晰度产生直接影响。

  

  理想与实际光学系统的差异
        在理想光学系统中，物像平面上应该保持恒定的放大率。但在实际的光学系统中，这一特性仅在视场较小时适用。当视场增大时，成像的放大率会随视场变化，使得图像相对于物体失去相似性，从而导致变形。这个成像缺陷被称为畸变。

  畸变的定义
        畸变通过实际成像高度与理想成像高度的差值来定义，在实际应用中，常用其与理想成像高度的比率表示，称为相对畸变。
        正畸变意味着图像随着视场增大而比理想成像高度增加得更快，放大倍率随视场增大而增大。同心圆的间距从内向外逐渐增大。
        负畸变则相反，图像随着视场增大而比理想成像高度增长得更慢，导致放大倍率随视场增大而减小。同心圆的间距从内向外逐渐缩小。

  畸变对测量的影响
        虽然在普通成像应用中，轻微的变形可能不明显，但在需要高精度测量的场景中，畸变会对测量准确性产生严重影响。通常，普通工业镜头的畸变在1%-2%之间，这种畸变可能使得100毫米的物体在测量中显示为101毫米到102毫米。

  减少畸变的解决方案
        使用双远心镜头是减少畸变的有效解决方案之一。这类镜头的畸变通常小于0.1%，是普通镜头的1/20，大幅提高了测量精度和稳定性，并达到了目前光学测试仪器的最高标准。通过选择这类镜头，可以确保对物体尺寸的高精度测量，同时减少因畸变导致的误差。