機(jī)器視覺中CCD工業(yè)相機(jī)鏡頭的選擇

2022-09-30 11:29:11 精質(zhì)視覺

　　合適的鏡頭選擇對(duì)于機(jī)器視覺能否發(fā)揮應(yīng)有的作用是非常重要的。鏡頭的選擇過程，是將鏡頭各項(xiàng)參數(shù)逐步明確化的過程。作為成像器件，鏡頭通常與光源、相機(jī)一起構(gòu)成一個(gè)完整的圖像采集系統(tǒng)，因此鏡頭的選擇受到整個(gè)系統(tǒng)要求的制約。一般地可以按以下幾個(gè)方面來進(jìn)行分析考慮。

　　系統(tǒng)若想完全發(fā)揮其功能，鏡頭必須要能夠滿足要求才行。當(dāng)為控制系統(tǒng)選擇鏡頭的時(shí)候，機(jī)器視覺集成商應(yīng)該考慮四個(gè)主要因素：可以檢測(cè)物體類別和特性;景深或者焦距;加載和檢測(cè)距離;運(yùn)行環(huán)境。

　　分析這四個(gè)因素，可以針對(duì)具體應(yīng)用確定合適的鏡頭選擇。

　　1.波長(zhǎng)、變焦與否

　　鏡頭的工作波長(zhǎng)和是否需要變焦是比較容易先確定下來的，成像過程中如果需要改變放大的倍率，可以采用變焦鏡頭，否則采用定焦鏡頭。

　　關(guān)于鏡頭的工作波長(zhǎng)，常見的是可見光波段，也有其他波段。是否需要另外采取濾光措施?單色光還是多色光?能否有效避開雜散光的影響?把這幾個(gè)問題考慮清楚，綜合衡量后再確定鏡頭的工作波長(zhǎng)。

　　2.特殊要求優(yōu)先考慮

　　結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用特點(diǎn)，可能會(huì)有特殊的要求，應(yīng)該先予以明確下來。例如是否有測(cè)量功能，是否需要使用遠(yuǎn)心鏡頭，成像的景深是否很大等。景深往往不被重視，但是它卻是任何成像系統(tǒng)都必須考慮的。

　　景深是指由探測(cè)器移動(dòng)引起的可以接受的模糊范圍。光學(xué)系統(tǒng)的性能取決于允許的圖像模糊程度，模糊可能源于物體平面或者圖像平面的位置漂移。景深效果(DOF)是指由于物體移動(dòng)導(dǎo)致的模糊。DOF是完全在焦距范圍內(nèi)最大的物體深度，它也是保持理想對(duì)焦?fàn)顟B(tài)下物體允許的移動(dòng)量(從最佳焦距前后移動(dòng))。當(dāng)物體的放置位置比工作距離近或者遠(yuǎn)的時(shí)候，它就位于焦外了，這樣解析度和對(duì)比度都會(huì)受到不好的影響。出于這個(gè)原因，DOF同指定的分辨率和對(duì)比度相配合。當(dāng)景深一定的情況下，DOF可以通過縮小鏡頭孔徑來變大，同時(shí)也需要光線增強(qiáng)。

　　在很多情況下，比如說管道檢測(cè)，可以使用變焦鏡頭獲得較大的景深。變焦鏡頭和縮放鏡頭很類似，應(yīng)用在需要經(jīng)常變換焦距的場(chǎng)合。這些鏡頭經(jīng)常是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，可以保證在對(duì)焦平面上平滑移動(dòng)。使用這樣的鏡頭，整個(gè)管道、每一個(gè)環(huán)節(jié)都可以掃描到，通過調(diào)整焦距來發(fā)現(xiàn)每個(gè)缺陷。然而，同縮放鏡頭不同，變焦鏡頭的工作距離也可以變化，可以根據(jù)需要進(jìn)行重新定位。

　　3.工作距離、焦距

　　工作距離和焦距往往結(jié)合起來考慮。一般地，可以采用這個(gè)思路：先明確系統(tǒng)的分辨率，結(jié)合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再結(jié)合空間結(jié)構(gòu)約束就能知道大概的物像距離，進(jìn)一步估算鏡頭的焦距。所以鏡頭的焦距是和鏡頭的工作距離、系統(tǒng)分辨率(及CCD像素尺寸)相關(guān)的。

　　4.像面大小和像質(zhì)

　　所選鏡頭的像面大小要與相機(jī)感光面大小兼容，遵循“大的兼容小的”原則——相機(jī)光面不能超出鏡頭標(biāo)示的像面尺寸——否則邊緣視場(chǎng)的像質(zhì)不保。

　　像質(zhì)的要求主要關(guān)注MTF的畸變兩項(xiàng)。在測(cè)量應(yīng)用中，尤其應(yīng)該重視畸變。

　　5.光圈和接口

　　鏡頭的光圈主要影響像面的亮度。但是現(xiàn)在的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，最終的圖像亮度是由很多因素共同決定：光圈、相機(jī)增益、積分時(shí)間、光源等。所以，為了獲得必要的圖像亮度有比較多的環(huán)節(jié)供調(diào)整。

　　鏡頭的接口指它與相機(jī)的連接接口，它們兩者需匹配，不能直接匹配就需考慮轉(zhuǎn)接。

　　6.成本和技術(shù)成熟度

　　如果以上因素考慮完之后有多項(xiàng)方案都能滿足要求，則可以考慮成本和技術(shù)成熟度，進(jìn)行權(quán)衡擇優(yōu)選取。

　　例如，要給硬幣檢測(cè)成像系統(tǒng)選配鏡頭，約束條件：相機(jī)CCD2/3in，像素尺寸4.65μm,C口。工作距離大于200mm，系統(tǒng)分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。

　　基本分析如下：

　　①與白色LED光源配合使用的，鏡頭應(yīng)該是可見光波段。沒有變焦要求，選擇定焦鏡頭就可以了。

　　②用于工業(yè)檢測(cè)，其中帶有測(cè)量功能，所以，所選鏡頭的畸變要求小。