填补 C-mount 和 F-Mount之间的空白
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有三种方法可提高sensor的分辨率:当像元尺寸保持不变时,可增加sensor的尺寸;当sensor尺寸保持不变时,可减小像元尺寸;或者两者兼而有之(如下示例)。每种方法都有权衡取舍。像元尺寸小则意味着较低的信噪比 (SNR),像元尺寸大则意味着价格昂贵。 然而sensor发展的总体趋势是尺寸在不断增加,像元尺寸在不断减小。当前有意思的是,在机器视觉工业中,sensor尺寸充分利用了C-mount的能力, C-mount是一种相机标准,它定义了一个 25.4 mm螺纹接口,后截距(通常称为法兰焦距或简称法兰距)为 17.526 mm。
上图:Sensor通过增加像素以及减小像元尺寸来提高分辨率。
C -mount的极限
如图 1 所示,尽管C-mount接口 25.4 mm,但在 C-mount中光学元件可实现的最大直径约为 17 mm。这是因为镜头具有自己的机械结构,需要容纳主镜筒、聚焦内筒和固定光学元件的固定器。每一个元件都减小了透镜组件中光学元件的可用通光孔径的尺寸。随着光学元件尺寸的减小,光线从透镜射出的角度也会增大。当sensor尺寸小于光学元件的尺寸时是没有问题的,但随着sensor尺寸的增加,光学元件与 C-mount 内部的sensor配合更加困难。随着这个角度(图 2 中的 θ)增加, cos4(θ) 减小,图像的四周会变暗。图 2 展示了相对于角度的衰减关系。此外,图像sensor本身的衰减还取决于像素微透镜的优化。因此,在光学设计中最小化这个角度是非常重要的。所以1.1″(对角线 17.6 mm)的sensor安装C-mount,光学性能会受到限制。
图 1,左:C -mount 1.1”高分辨率 焦距为12 mm镜头背面的横截面。 最后一个透镜的最大直径小于 25.4 mm C-mount口径。 这会导致较大sensor的光线角度更陡,会影响亮度(右上图)(红线代表 1.1″sensor角落的光线,棕色线代表1″sensor,蓝线代表sensor中心。)
图 2,右:主光线角度对图像sensor相对亮度的影响。 陡峭的角度会降低边缘的亮度,除非使用更昂贵的光学元件来缓解。 C-mount 相机中的安装较大sensor加剧了这个问题。
索尼 Pregius 第三代sensor IMX342,采用 APS-C 格式(对角线为 27.9 mm)的 31.4 MP sensor。 这个sensor对 于C-mount 来说太大,但是对于工业相机市场来说,又是一个有意思的地方,因为他对于F-mount(M42)又太小,而这个M42是属于下一个量级的,且存在一些相关的光学问题。M42 是一个潜在的合乎逻辑的选择,并且已经存在配备 M42 镜头卡口的相机,虽然相机行业还没有标准来使该选择可行(具有不同的法兰和螺距)。 TFL 是 APS-C 尺寸sensor的完美光学接口,并且日本工业成像协会 (JIIA) 的镜头工作组对其进行了标准化。 TFL -mount为 M35x0.75 mm,法兰距离为 17.526 mm; 这与 C-mount 的法兰距离相同。 可以被认为是一个更大直径的 C-mount。
TFL-Mount vs F-Mount
对于 APS-C sensor尺寸而言,TFL -mount比 F -mount有几个优点。 这些优势主要体现在成本、法兰距以及镜头安装的方式。 与 TFL -mount镜头相比,F -mount镜头更大。F-mount能覆盖更大的sensor(对角线最大为 43.3 毫米,而 APS-C 对角线为 27.9 毫米)。 随着透镜尺寸的增加,价格也变得更加昂贵。 经验表明,单个透镜的成本随着半径的平方而增长,从而可以看出镜头越大越昂贵。
图 4:TFL -mount为 APS-C sensor周围的透镜提供了足够的空间,从而减少了由陡峭光线角度造成的问题。
法兰距的重要性
TFL -mount相对于 F -mount另一个主要优势是法兰距离。如上所述,TFL-mount 可以被认为是更大直径的 C-mount,具有相同的法兰距离 17.526 mm。 F-mount 的法兰距离为 46.5 mm。 F-mount 的长法兰距限制了可使用的光学设计形式的类型,尤其对于较短焦的镜头,短焦镜头往往具有较短的后截距(BFL,不要与法兰距混淆,后焦距是从最后一个光学元件到图像平面的距离)。用长BFL制作短焦距迫使镜头被设计成反向长焦,也就是说,焦距比镜头的总长度短的镜头。镜头的这种设计模式必然会导致在分辨率方面与设计进行权衡。在某些情况下,这可以通过具有较大后部突出的镜头来克服,也意味着镜头突出到相机外壳中。具有较大后部突出的镜头往往需要大幅减小其直径,以便正确安装在相机机身内,从而导致上述相同的 cos4(θ)问题。 TFL较短的法兰距离不仅有助于缩短整个系统,而且允许光学工程师在设计时有更多的自由,以最大限度地提高透镜的分辨率。
更小的法兰距,再加上 TFL 镜头专为更小的sensor而设计,因此受视场相关像差的影响更小。为 TFL -mount相机设计的镜头可以尺寸更小,性能更高,价格更好。
上图:比较C-mount、TFL-mount和F-mount之间法兰距离及其对相机尺寸影响的相机剪切图。
螺纹 vs卡口
F-mount 是卡口不是螺纹。 卡口非常适合摄影,可允许相机用户针对不同场景快速更换镜头,并允许轻松集成电子功能(光圈/对焦控制)。 对于机器视觉中的大多数应用来说,这些并不是真正的优势。 镜头很少(如果有的话)更换,就算更换对时间也不敏感。 光圈控制在某些极端应用很有用,因为光圈通常固定的,在工厂环境中,依靠带有运动部件的伺服电机/微型电机对镜头进行数百万次聚焦可能会导致零件磨损。
卡口座的主要缺点仅仅是卡口座本身特性,随着sensor尺寸的增大,sensor相对于光轴的允许倾斜量变小。图 5 展示了图像平面相对于光轴的倾斜对较大sensor的影响。为了确保高光学性能,尤其是考虑到高分辨率应用所需的低f/#s,必须保持较小的倾斜量。卡口式安装允许成像系统有更大的倾斜量,但相机和镜头并不是以最佳的方式匹配。主要是因为尼康 F-mount的公差数据并没有公开,因此光学公司需要猜测其设计的公差是多少。相比之下,螺纹座的法兰被加工成一块实心金属,表面可以加工成非常平坦。此外,螺纹座的夹紧力比卡口强,镜头法兰和相机法兰保持连接在一起,即使有振动或重力,也不会摆动或下垂,无论镜头大小。 TFL 也是一个已发布的标准并且是螺纹安装,相机和镜头公司都知道应该怎么设计相机和镜头接口,以便它们以最有效的方式协同工作。
![镜头和传感器之间的倾斜度](http://thinklucid.cn/wp-content/uploads/2022/05/defocus-from-tilt-cn.jpg)
图5:随着sensor尺寸越来越大,像元尺寸越来越小,必须保持严格的公差。与TFL螺纹连接相比,卡口和相机的连接更松,这可能会导致图像聚焦度降低。
TFL -Mount + 主动光学校准
如果相机的sensor没有与镜筒精确对齐,那么完美的镜头座和镜头就没有多大意义。为了最大限度地提高TFL-mount相机和TFL镜头的高质量和性能,需要进行主动光学校准,以确保sensor在不倾斜或旋转的情况下居中并正确安装。安装过程对于尺寸较大且像元尺寸较小的sensor更为关键,因为这两个特性使sensor对微米级别的安装差异更加敏感。如图5所示,仅几微米的倾斜可以明显的地将高分辨率镜头散焦在 4/3 英寸或 APS-C sensor上。 LUCID 的主动sensor校准系统可测量图像中心、旋转、倾斜和后截距。根据视觉测量的反馈,在安装过程中主动调整sensor位置。该系统使用自动6个运动自由度(6DoF)机械装置和视觉检测装置,实时分析覆盖在sensor平面上的视觉图案。测量此图案的目的是为了获得最大锐度的图像,确保sensor固定到位时sensor平面的均匀性。阅读我们的技术简报tech brief on LUCID’s Active Sensor Alignment technology,了解我们Atlas和Triton相机中使用的LUCID主动光学校准技术。
![主动光学校准](http://thinklucid.cn/wp-content/uploads/2022/05/aoa-centering-cn-1.gif)
上图:LUCID的主动光学校准确保sensor居中并放置在最佳位置,而不存在相对镜筒的倾斜或旋转,这是光线通过透镜到达sensor的最佳路径,确保图像从sensor中心到角落的清晰度达到最大。
![这会导致相机内部传感器的安装不一致](http://thinklucid.cn/wp-content/uploads/2022/05/aoa-centering-off2-cn2-1.gif)
上图:相机组件变量变化的动态图,导致相机内部sensor准确安装的不一致。
用于机器视觉相机的 TFL-mount
TFL-mount的镜头更小、更轻、更便宜,并且专为工业中的长期性能而设计,是大于 1.1″和APS-C 尺寸的sensor的更好选择。 该标准在机器视觉市场上仍在流行,同时也是光学镜头和相机配合使用的一种新尝试。 当然,sensor会继续发展,相机镜头也会随之发展。 越来越多的工业sensor向着1.1″以上且像元尺寸更小的市场发展,例如索尼第 4 代 Pregius S 24.5 MP IMX530 CMOS, 4/3 ″sensor(对角线 19.3 mm),像元尺寸为 2.74µm(像元尺寸比3.45µm小37%)。通过将高质量TFL镜头与主动sensor校准TFL-mount相机(如LUCID的高分辨率相机系列Atlas)配合,这些sensor的性能将得到最佳表现。