机器视觉之硬件——三、镜头的选型（下）

尽管相机、分析软件和照明对机器视觉都十分重要，可最关键的还是镜头。

本文主要介绍镜头选型的四大参考要素。

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机器视觉之硬件——三、镜头的选型（下）
一、检测物体类别和特性
- 1. 视野：
- 2. 放大率PMAG：
- 3. 系统放大率SMAG：
- 4. 物体特性：
二、景深或者焦距
三、加载和检测距离
- 1. 检测距离/工作距离
- 2. 存放和加载限制
四、运行环境
- 1. 高光
- 2. 照明光源
- 3. 温度
- 4. 振动
- 5. 污染物（腐蚀）
五、总结
- 1. 工业镜头的选择要点：
- 2. 实例

一、检测物体类别和特性

1. 视野：

确定物体大小和分析环境，这个环境叫做无遮挡视场(FOV)，竖直方向和水平方向尺寸比例（一般是4:3）。

2. 放大率PMAG：

镜头的工作成效，当确定镜头是否合适时，需要考虑这点。

3. 系统放大率SMAG：

监视器尺寸和传感器尺寸的比例和PMAG的乘积结果
计算公式：SMAG=PMAG*监视器尺寸/传感器尺寸

4. 物体特性：

镜头对于物体特征的解析能力依赖于特征的对比是否强烈。
解析度：镜头在指定光线条件下辨识特定宽度的线耦或者电锯的能力，决定了它的解析度。

解析度通常被 模块转换功能(MTF） 以图像的方式显示出来，图形显示了指定线耦频率下可行的相对对比度。
扭曲，色差和其他波前畸变都会影响曲线的斜率，使曲线偏离理想状态或者衍射极限的光学表现。

镜头方案通常会以每毫米线耦数量（lp/mm）为单位列出物体解析度，再将这个值除以1000就可以预测出镜头每微米的物体解析度。

二、景深或者焦距

当景深一定的情况下，DOF可以通过缩小镜头孔径（也就是增加F/#值）来变大，同时也需要光线增强。
镜头的DOF范围取决于有效焦距，可接受的模糊直径。有一些镜头被设计成超焦或者可超焦的，意味着焦内的远点可以拓展到无限远。这种技术通常应用在定焦镜头上，景深效果很深，但是却可以通过虹膜的帮助进行调整。

远心镜头和大景深镜的区别：
远心镜头可以使机器视觉系统控制放大率、消除潜在误差，所以同尺寸的物体在照片上高度都是一致的，无论它距离照相机有多远。这种镜头一个实际应用的例子是分析计算机电路板。远心镜头通常有一个工作距离范围，在每一个工作距离点形成有限的景深。

在选择远心镜头的时，既要考虑工作距离范围，还需要考虑景深效果。

变焦镜头：
在很多情况下，比如说管道检测，可以使用变焦镜头获得较大的景深。变焦镜头和缩放镜头很类似，应用在需要经常变换焦距的场合。这些镜头经常是马达驱动的，可以保证在对焦平面上平滑移动。使用这样的镜头，整个管道、每一个环节都可以扫描到，通过调整焦距来发现每个缺陷。然而，同缩放镜头不通，变焦镜头的工作距离也可以变化，可以根据需要进行重新定位。

三、加载和检测距离

1. 检测距离/工作距离

极限范围内，镜头重新对焦，可以改变工作距离。

无限共轭镜头的对焦距离可以从最小工作距离一直到无限远。有限共轭镜头则有一个特定工作距离范围。
当物体空间（物体和镜头之间的距离）受到限制，改变像空间（image space，镜头与图像之间的距离），就可以改变工作距离。

像空间可以使用两种方式进行改变：通过缩放功能或者隔离。

缩放镜头：调整照相机系统的视场，而不需要改变工作距离。一些缩放系统的元件可以定制组成特殊型号的系统。度量衡和显微应用需要以微米为单位进行放大，这些镜头系统可以同显微镜下的物体对应。缩放镜头保持着高解析度，但是成本高昂。
镜头隔离器：十分经济，并且可以缩短工作距离、减小镜头的可视范围。然而不幸的是，这会带来扭曲同时降低解析度。
_{，除非空间调整是在5mm之内或者镜头的设计就带有隔离器，否则隔离器不是一个推荐的方案。}

2. 存放和加载限制

环境较为恶劣时，必须具有足够的柔性，可以根据工作距离进行调整。比如在很多安装场合，感兴趣的产品区域和产品线可能在检测过程中发生变化，这就要求视觉系统和视觉元件可以根据若干种传感条件进行调整。

四、运行环境

环境因素包括物体反射系数、光线、温度、振动和污染物。

1. 高光

物体的反射会导致高光，还可能使特征模糊。
镜头外壳和遮光罩中的障板可以降低光散引起的高光现象。
障板为不透明的圆片，为镜头的中心孔径特别设计，可以限制到达传感器的光线。
极化或者散射光源同样也可以避免物体反射出现的热点。

2. 照明光源

光，尤其是单色光，可以使物体的对比度提高，使镜头图像的质量最大化。在使用黑白照相机的时候，对比度是非常重要的，可以通过加减过程产生。在加法过程中，单色光源和照相机镜头滤镜同分析物体所在的媒介颜色相匹配，物体周围的区域可以反射并且传输光线，所以显得比物体更加明亮。这项技术在凝胶和彩色液体用作背光式触摸屏或者微粒检测的应用很有价值。

相反，在减法系统中，滤镜屏蔽了物体周边的反射光，这使得物体看起来比周边明亮。像药丸检测这样的应用，物体的颜色可能是它仅有的特征，这时候就要使用滤镜。

3. 温度

高温环境下，可能因为镜头里光学元件的热膨胀出现问题。并不是所有的镜头都可以适应温度变化，在检测热物体时，最好使用工作距离比较长的镜头。

4. 振动

另外一个要考虑的因素是振动。通常需要将镜头装载到和照相机隔离的平台和桌面上，来减少振动。重型的照相机镜头总是带有卡具，如果镜头不能直接装在案板或者类似的隔离桌面上，那么就把装载镜头的物体放在独立平台上吧。固定在独立平台上的机械手就经常用来装载照相机和镜头。

5. 污染物（腐蚀）

工业换件下的污染物会腐蚀镜头表面。极端环境光学（HEO）产品进行了专门设计，即便是长期暴露在严酷环境下，也可以提供高质量的图像。因为它的光学元件是严格密封的，HEO产品可以在水下使用，能够抗腐蚀、防尘，并且不受机械影响。

五、总结

1. 工业镜头的选择要点：

视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：选择比被测物视野稍大一点的镜头，有利于运动控制
景深要求：对有景深要求的项目，尽可能使用小光圈，光线强的，选择放大倍率镜头时，项目许可下，尽可能选用低倍率镜头，如项目要求比较苛刻，倾向选高景深的尖端镜头
芯片大小和相机接口：例如2/3’’ 镜头支持最大的工业相机靶面为2/3’',它是不能支持1英寸以上的工业相机
光源配合，选配合适镜头
可安装空间：方案可选情况下，让客户更改设备尺寸是不现实的。
镜头的光圈大小决定图像的亮度，在拍摄高速运动物体，曝光时间很短的应用中，应该选用大光圈镜头，以提高图像亮度。

2. 实例

(1) 已知：被检测物体大小为A*B,要求能够分辨小于C，工作距为D 解答：

计算短边对应的像素数 E = B/C，相机长边和短边的像素数都要大于E；

像元尺寸 = 物体短边尺寸B / 所选相机的短边像素数；

放大倍率 = 所选相机芯片短边尺寸 / 相机短边的视野范围；

可分辨的物体精度 = 像元尺寸 / 放大倍率（判断是否小于C）；

物镜的焦距 = 工作距离 * 放大倍率单位：mm；

极限空间分辨率要大于 (像素密度/2=(短边像素值/短边感光尺寸)/2，或者 1mm/2像素尺寸)1= 极限空间分辨率2像元尺寸*光学放大倍率；

图像分辨率 pixel/mm
芯片的像素尺寸 a 光学放大倍率 b 1um的物经光学系统放大为 m 的像，这样的像由m/a个像素来显示，所以图像分辨率为m/a * 1000 pixel/mm，反推会实际物体，图像中的一个像素点表示的实际距离为 1/m/a *1000 mm/pixel（即像素尺寸/放大倍率）, 精度的分辨率需要2个像素显示

以上只针对镜头的主要参数进行计算选择，其他如畸变、景深环境等，可根据实际要求进行选择。

(2) 针对速度和曝光时间的影响，物体是否有拖影。
已知：确定每次检测的范围为80mmx60mm，200万像素 CCD 相机(1600x1200)，相机或物体的运动速度为12m/min = 200mm/s 。

曝光时间计算：

曝光时间 < 长边视野范围 / (长边像素值 * 运动速度)
曝光时间 < 80 mm / (1600∗200 mm/s)；
故曝光时间要小于 0.00025s ，图像才不会产生拖影

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