【光电智造】移轴镜头概述

今日光电 2023-12-17 18:01

详解状态监控系统的数据采集技术 示波器需要多少模拟通道？

今日光电

有人说，20世纪是电的世纪，21世纪是光的世纪；知光解电，再小的个体都可以被赋能。追光逐电，光赢未来...欢迎来到今日光电！

----追光逐电光赢未来----

移轴镜头是一种特殊的镜头，其中内部的光学器件可以相对于图像传感器倾斜和移位，并使图像透视发生改变，通常常见的移轴镜头可以实现三种物理运动，分别是倾斜和偏移以及旋转，可以实现特殊的拍摄效果。

第一个是镜头的倾斜运动，其中镜头围绕枢轴移动与其原始轴成一角度，是使镜头前面部分形成上下或左右倾斜的运动。通过该运动可以控制合焦面，从而实现在大光圈下对主被摄体整体合焦。

第二个是镜头的偏移运动，镜头平行于原始轴移动，可使镜头卡口的前面部分整体上下或左右平移。通过该功能可以改变拍摄范围，获得与升高或降低拍摄位置一样的效果。

第三个是镜头的旋转运动，镜头安装在机身的状态下，可以将整个镜头进行旋转。通过该方式可以配合被摄体的形状更改偏移与倾斜角度的操作方向。

随着机器视觉不断深入不同细分行业，需要用到移轴成像的场景在工业检测领域也不断增多。工业检测使用移轴成像的原因大多是空间不够不能竖直拍摄，或者是要同时对不在同一平面的被测物成像。

很多人把移轴镜头也叫沙姆镜头，这是因为移轴成像是要符合沙姆定律的。该定律是由奥地利陆军上尉沙姆提出。他为了将自己的“透视绘图仪”用于航空摄影，而发明了这项校正技术。主体平面、镜头片面和影像平面相交于一条直线。莎姆的理论源于放大航空照片和陆地勘察照片时所进行的校正，这些照片是由固定机身的相机拍摄的。当今的这技术使我们能够用可调节的移轴相机来进行这种校正，同时还通过改变清晰平面的位置极好地解决了景深太小的问题。在实际拍摄中，这意味至少有一个基座必须根据景物的位置绕水平方向（俯仰）或垂直方向（摇摆）进行调整，直至上述三个平面相交于一条直线。开始时，这种操作显得有点儿复杂，但是调整清晰平面对专业摄影师来说是最简单、最常用的技术之一。

摄影师喜欢用移轴镜头拍摄出微缩场景，或者增大景深。

更深入一些，移轴其实有两种情况，一是光轴倾斜，二是光轴平移。很多单反移轴镜头同时有这两种移轴功能。光轴倾斜是解决清晰度的，光轴平移是解决远端和近端放大率不同的。比如要想拍摄一栋大楼，如果不用移轴镜头，势必近大远小，导致大楼顶部看上去变小了，整个大楼呈现锥形。

如果使用了移轴镜头则消除了视差，即远近端的放大率之差。

比起摄影，工业检测移轴成像就复杂得多。首先，大部分是光轴倾斜的移轴应用，用以解决斜拍时清晰度的问题。如果没有光轴平移，则无法矫正梯形畸变。

不过移轴梯形畸变是线性变化的，可以通过算法插值矫正。不过一般工业移轴只适合检测，不适合测量。因为图像除了移轴梯形畸变还有镜头本身的光学畸变，两者叠加就给标定带来了很大的难度。下文将深入讨论如何实现工业移轴中的光轴倾斜成像。光轴平移应用案例太少，在此不做讨论。

根据沙姆定律，要想移轴成像，光轴不能垂直与芯片。根据沙姆原理图可以看出，拍摄角度越大，光轴偏转越大。工作距离越近，光轴偏转越大。这就要求工业移轴镜头必须能转动不同的角度，以适应不同的拍摄角度和工作距离。但是，C接口工业镜头是很难做光轴旋转的，因为没有空间。

这里有个概念叫光学后焦（BFL），指的是芯片到镜头最后一个光学面的距离。这个距离越短，镜头的成本就越低。所以市面上大部分C口工业镜头的后焦都非常短。C口法兰又只有17.526mm，所以C口镜头上几乎不可能设计出一个旋转装置，只能做固定角度移轴。因为不同的项目需要的角度不同，所以大部分移轴镜头需要定制角度，而且厂商无法做出系列化的产品，定制周期长，打样成本高。

针对上述问题，工程师们提出了另一种解决方案。既然镜头没办法旋转，干脆把旋转组件做在相机上，把相机C接口改成定制接口，旋转空间的问题就解决了。