在成像光学镜头里,畸变是非常重要的参数之一,尤其是在工业视觉测量和缺陷检测中,一个镜头的畸变在很大程度上左右着项目的检测精度。但是在市场上,我们看不同镜头厂家的规格书里,常常会发现一个问题:有的规格书里对畸变的表示是“TV畸变”有的是“光学畸变”,那么这两者之间的区别是什么呢?(这里不说明针对扫描镜头来定义的Fθ畸变,如果有朋友对这个感兴趣,我们后面可以专门来说明)

无畸变、正畸变、负畸变
畸变是成像镜头的一种像差,它不影响镜头成像的清晰度(分辨率),但是因为它的存在,图像会发生变形(这里的变形只是平面内的图像变形,而非视野深度上的“近大远小”,深度上的“近大远小”是因为镜头在不同对焦深度上光学倍率不一致造成的,而非畸变)。因此在高精度的视觉检测中,选择畸变量小的镜头并做畸变矫正算法补偿是十分必要的一项工作。
目前市场上视觉测量的设备检测(一键式测量仪)的检测精度和重复精度都已经在微米级,视觉测量这种非接触的测量方法相比传统的探针无论是效率还是对测试零件的保护都有着明显的优势。但这种检测方式因为被测零件是随机出现在镜头的不同视野区域内,因此镜头的视差和畸变都会影响每次检测结果的精度。解决视差的问题可以选择低远心度的远心镜头,并配合平行光源来提高零件图像边缘的锐利度,解决畸变的影响就需要选择低畸变的镜头。因为畸变理论上会随着镜头的物方视野变大而变大,因此选择小倍率镜头时,畸变量的大小尤其需要关注。
TV畸变和光学畸变都是对镜头畸变的不同表达形式。无论哪种畸变,我们自己总结的原因是在对焦物面内,不同视场区域的光学倍率发生了变化(理论上,镜头在一个固定的工作距离下对焦,像面和对焦物面会有一个固定的比例关系,这个关系就是光学倍率。但实际上在视野的中心和视野的边缘区域的光学倍率会有偏差,这种偏差是按照视野环带区域分布的)。镜头的畸变曲线也是畸变量和视野的函数曲线关系。一般光学设计软件,比如ZEMAX能直接查看到镜头的光学畸变曲线,如果要看TV畸变的数值,需要重新定义像面尺寸,通过坐标点的计算得到,当然,这个可以通过编写宏文件来实现,如果需要此宏文件可以加关注联系我们索要)。

远心镜头光学畸变曲线
光学畸变:实际像高与理想像高的比较,关注的是实际图形和理想图形的差异。
TV畸变:实际像高的最大值与最小值做比较。关注的是图形本身的变形情况。
大多数情况下,在工业视觉领域的镜头一般情况下会表征光学畸变,在安防或消费电子领域的镜头一般会表征TV畸变,当然如果有镜头厂家直接表征名称是畸变的话,就需要再确认一下。对不用于高精度视觉检测的情况下,一般光学畸变在3%以内,肉眼是看不出图像有畸变的。所以对于不同使用场景下,其实也无需很苛刻的要求畸变做的很小,尤其是短焦镜头。远心镜头因为其在视觉检测中的特殊性,常常需要将畸变控制在0.1%以内,甚至更小,见图2。
一般情况下,镜头的TV畸变量会小于镜头的光学畸变量,光学畸变量大致会是TV畸变的2-3倍。





