镜头配件

前言

      如上图所示，物AB的像A’B’在传感器的表面。   

      当物体从AB移动到A₁B₁ 时(即工作距离缩短，物体靠近镜头），其像 A₁’B₁’ 向右移动，位于原传感器后方。此时需要增加接圈来调整像与传感器重合。

物理机制

• 1.物距u减小(物体靠近镜头)
• 2.根据高斯公式1/u + 1/v = 1/f，像距v必须增大才能保持等式成立
• 3.像距增大意味着像面向远离镜头的方向移动
• 4.原传感器位置不再是清晰像面，需通过接圈延长像方距离

视场变化规律

  在传感器尺寸固定、镜头焦距不变的前提下：

简言之：镜头越靠近被测物，看得越"细"但范围越小；离得越远，范围越大但细节越少。

1.接圈

1.1 定义与规格

  接圈是安装在镜头与相机之间的环状延长部件，用于增加像距，从而缩短工作距离、减小视场。

      常见厚度规格： 0.5mm、1mm、2mm、5mm、10mm、20mm、30mm等

接圈厚度覆盖范围较大，从 0.5mm 到 30mm 均有标准品，可通过多片组合灵活调整总厚度。

1.2 应用注意事项

  在相机镜头随着机构运动的项目中，如果使用了多个接圈，会增加镜头松动的风险。

      解决方案： 使用定制接圈代替多个标准接圈，整体式结构可显著降低机械松动概率，提高系统稳定性。

1.3 接圈使用守则

  在机器视觉系统中，接圈是调节工作距离和视场大小的常用手段，但其使用存在约束条件和副作用。合理规划接圈厚度是保证成像质量的重要前提。

1.遵循20%原则

  在测量时遵循20% 原则：

接圈总厚度不应超过镜头焦距的 20%。

      示例： 35mm焦距的镜头，应使用不超过7mm的接圈。

  例如：

• 35mm镜头→接圈≤7mm
• 50mm镜头→接圈≤10mm
• 100mm镜头→接圈≤20mm

2.接圈调节的有效范围

镜头增加接圈减小视场只能在一定范围内。

      接圈增加到一定程度后，镜头不再能够成像。

物理解释

  随着接圈厚度增加，像距不断增大：

• 当像距增大到一定程度，镜头已无法将光线聚焦到传感器平面上
• 超过临界值后，系统无法获得清晰成像，调节失效

  因此接圈调节视场的能力有限，不能无限制通过加接圈来缩小视场。

3.接圈对图像质量的负面影响

增加较多的接圈会引起FOV边缘扭曲，畸变增加，图像质量下降。

4.具体影响机制

1. 聚焦面偏离 增加接圈使实际聚焦面偏离镜头设计的聚焦面，超出镜头的优化设计范围
2. 杂光与衍射 接圈部分存在着杂光衍射，额外的机械内壁会产生散射和衍射效应
3. 边缘畸变增大 FOV边缘区域成像扭曲加剧，像差(畸变、场曲等)明显上升
4. 分辨率下降 综合作用导致整体图像质量劣化，尤其边缘区域

5.负面影响示意

  (图示：加接圈时工作距离WD变化，图像边缘质量下降）

6.工程选型建议

1.4 适用场景

• 通用定焦镜头的工作距离微调
• 视场大小粗调
• 常规检测、定位等对稳定性要求一般的场景

2.垫片

2.1 定义与特点

  垫片与接圈功能相同，但其精度更高、厚度更薄，更适用于定倍镜头(如远心镜头)的精细调节。

2.2 规格参数

• 材质 不锈钢钢圈
• 厚度范围 通常为0.01 ~ 1mm
• 用途 用于精确调整工作距离

2.3 与远心镜头的配合

  远心镜头在制造过程中存在公差，实际工作距离可能与标称值存在差异。因此，远心镜头常常配有额外的钢圈(垫片)，用于微调工作距离，补偿制造公差，确保在标称工作距离下达到最佳成像质量。

2.4 接圈vs垫片对比