機器視覺中CCD工業(yè)相機鏡頭的選擇

2022-09-30 11:29:11 精質(zhì)視覺

　　合適的鏡頭選擇對于機器視覺能否發(fā)揮應有的作用是非常重要的。鏡頭的選擇過程，是將鏡頭各項參數(shù)逐步明確化的過程。作為成像器件，鏡頭通常與光源、相機一起構成一個完整的圖像采集系統(tǒng)，因此鏡頭的選擇受到整個系統(tǒng)要求的制約。一般地可以按以下幾個方面來進行分析考慮。

　　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。當為控制系統(tǒng)選擇鏡頭的時候，機器視覺集成商應該考慮四個主要因素：可以檢測物體類別和特性;景深或者焦距;加載和檢測距離;運行環(huán)境。

　　分析這四個因素，可以針對具體應用確定合適的鏡頭選擇。

　　1.波長、變焦與否

　　鏡頭的工作波長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。

　　關于鏡頭的工作波長，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?把這幾個問題考慮清楚，綜合衡量后再確定鏡頭的工作波長。

　　2.特殊要求優(yōu)先考慮

　　結合實際的應用特點，可能會有特殊的要求，應該先予以明確下來。例如是否有測量功能，是否需要使用遠心鏡頭，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。

　　景深是指由探測器移動引起的可以接受的模糊范圍。光學系統(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)是指由于物體移動導致的模糊。DOF是完全在焦距范圍內(nèi)最大的物體深度，它也是保持理想對焦狀態(tài)下物體允許的移動量(從最佳焦距前后移動)。當物體的放置位置比工作距離近或者遠的時候，它就位于焦外了，這樣解析度和對比度都會受到不好的影響。出于這個原因，DOF同指定的分辨率和對比度相配合。當景深一定的情況下，DOF可以通過縮小鏡頭孔徑來變大，同時也需要光線增強。

　　在很多情況下，比如說管道檢測，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，應用在需要經(jīng)常變換焦距的場合。這些鏡頭經(jīng)常是電機驅(qū)動的，可以保證在對焦平面上平滑移動。使用這樣的鏡頭，整個管道、每一個環(huán)節(jié)都可以掃描到，通過調(diào)整焦距來發(fā)現(xiàn)每個缺陷。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)需要進行重新定位。

　　3.工作距離、焦距

　　工作距離和焦距往往結合起來考慮。一般地，可以采用這個思路：先明確系統(tǒng)的分辨率，結合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再結合空間結構約束就能知道大概的物像距離，進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)相關的。

　　4.像面大小和像質(zhì)

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

　　像質(zhì)的要求主要關注MTF的畸變兩項。在測量應用中，尤其應該重視畸變。

　　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、相機增益、積分時間、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.成本和技術成熟度

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

　　例如，要給硬幣檢測成像系統(tǒng)選配鏡頭，約束條件：相機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：