机器视觉镜头的选择是不同的

机器视觉在控制工业过程中的作用不断扩大，特别是在机器人引导，物体识别和质量保证领域。如今复杂的视觉系统已经超越了基本的斑点分析——从一堆中区分一个部分并确定其方向——为后续功能提供信息，例如将物体从一个位置移动到另一个位置。

对于用于装配或大批量检测操作的机器人系统，如汽车生产和检测线，传送带通常是参考点。在这里，机器人执行两项工作:识别和运输。

在大多数机器视觉应用中，照明控制是至关重要的。机器人视觉系统还需要高度的可重复性;因此，减少安装抖动以提供清晰的图像非常重要。

在大规模单位检查线中，例如在制药行业，视觉系统必须能够识别有缺陷的包装，不可读的标签和产品缺失。视觉系统必须快速识别和测量正方形、圆形和长方形物体，并具有很高的精度。保持统一的包装外观和颜色有助于提高机器视觉系统的精度。对于食品检验系统，产品的大小、颜色、密度和形状通常由多元素检验确定。多元素机器视觉系统可以使用彩色和单色相机，通常使用结构化照明来建立产品的轮廓和内部构成。

虽然相机、分析软件和照明是机器视觉系统中的重要因素，但也许最关键的组件是成像镜头。为了使系统达到其全部功能，镜头必须适合该工作。在选择用于控制设置的镜头时，机器视觉集成商应考虑四个主要因素:

• 待检测物体的类型及其特征;

• 景深:景深或焦点;

• 安装、检测空间;

• 操作环境。

分析这四个区域可以优化特定应用的可能镜头选择。

初级放大倍率是传感器上的图像尺寸与实际成像物体的图像尺寸之比。

对象的特征

在为机器视觉系统选择镜头之前，系统集成商必须定义对象和周围区域进行分析。这个可见区域被称为视场(FOV)。它可以对角线测量，也可以水平测量。通常，垂直和水平FOV尺寸之间的比例为4:3。这个比率取决于相机传感器活动区域的尺寸。传感器尺寸在确定获得所需视野所需的主放大倍率(PMAG)时很重要。PMAG被定义为传感器尺寸与视场的比率，是镜头所做的“工作”。当决定一个镜头是否合适时，应该考虑到这一点。

PMAG =传感器尺寸

当镜头与不同尺寸芯片的相机配对时，镜头的放大倍率是极其重要的;但是，透镜放大率不应与显微镜放大率相混淆，后者是由光学管的长度和物镜焦距决定的。它没有考虑到相机传感器的大小。

系统放大倍率(SMAG)是PMAG与显示器与传感器尺寸之比的乘积。它是物体到显示器上图像的总放大倍数，是整个系统所做的“功”。当对象的屏幕尺寸开始发挥作用时，系统放大倍率是有用的。

SMAG =PMAGx显示器大小

物品的特性也很重要。透镜分辨物体特征的能力取决于特征之间存在多大的对比度。确定系统分辨率或对象的最小可分辨特征的一种方法是使用分辨率目标，例如美国空军测试目标上的Ronchi裁决。这些规则将特征定义为线对——一条白线和一条黑线宽度相等。其他目标可以使用圆圈或点网格。

透镜在特定光照条件下区分特定宽度的线对或间隔点的能力定义了透镜的分辨率。分辨率通常由调制传递函数(MTF)图形化显示。

该图绘制了在特定线对频率下可用的相对对比度。畸变、色差和其他波前畸变会影响该曲线的斜率，降低曲线的理想性能，或衍射极限性能。镜头规格有时以每毫米线对(lp/mm)列出物体分辨率。用这个值除以1000就得到了以微米为单位的透镜物体分辨率的估计值。

当确定表面形貌时，通常使用多个相机和镜头，并且知道镜头固有的像差量是有价值的。像差是透镜中的光学误差，它会导致图像中不同点的图像质量差异。地形应用通常涉及激光线或图像中的其他照明，以确保测量的准确性。一些软件程序可以消除由镜头引起的畸变等误差，因此在最终图像中只有地形数据是明显的。

大画幅和区域扫描相机镜头是优秀的控制应用，因为他们的高分辨率，低失真，和有限的色差。宽视场和与大画幅传感器的兼容性使这些镜头在包括检查网页，lcd和食品和饮料在内的应用中很有价值。

空间的限制

自动化机器视觉系统和装配线所需的占地面积可以从几米到整个仓库不等。工作距离是当图像对焦时，物体与相机镜头前方之间的空间。它限制了视觉系统所需的间距和视觉系统所使用的设备。在某些应用中，例如通过真空烘箱端口观察，工作距离更灵活，可以使用近焦镜头或长工作距离视频显微镜镜头来实现。在其他应用中，如高功率显微检查，工作距离减少到几英寸。

通过重新调焦镜头，可以在一定范围内改变工作距离。无限共轭透镜可以从一个有限的最小工作距离聚焦到无限远。有限共轭透镜具有特定的工作距离范围。

外壳和安装限制，包括恶劣环境的保护屏蔽，必须足够灵活，可以调整工作距离。例如，在许多安装中，产品或产品线上感兴趣的区域可能在检查过程中发生变化。这可能需要一个视觉系统或视觉组件，可以调整以适应多种传感条件。许多相机镜头都有稳定支架，但当物体空间(物体和镜头之间的区域)有限时，改变图像空间(镜头和图像之间的区域)可以改变工作距离。

图像空间可以通过两种方式改变:使用缩放功能或环形间隔器。变焦镜头在不改变工作距离的情况下调节相机系统的视场。一些变焦系统分为组件，可以匹配以适应特定的设置。对于计量学和显微镜应用需要在微米量级的放大，这些镜头系统可以与显微镜物镜相结合。变焦镜头保持高分辨率，但可能变得昂贵。

另外，镜头间隔片是经济的，将缩短工作距离，减少镜头的视场。不幸的是，它们会引入失真并降低分辨率。因此，不建议使用垫片，除非所需的空间调整小于5毫米或镜头设计为与垫片一起工作。

基本的镜头设计因素结合起来决定图像特性。

对焦深度

光学系统的性能取决于允许的图像模糊量。模糊可以由物体平面或图像平面的位置移动引起。焦深是指当检测器移位时所产生的可接受模糊的极限。这取决于工作F值(F/#)，这是衡量镜头聚光能力的一个指标。F/#随着镜头光圈的关闭而增大。关闭光圈或增加F/#，增加了系统的景深，但减少了到达传感器的照明量。应该增加光照来补偿。列出对焦深度的镜头规格也应提供测量该值的F/#。

景深(Depth of field, DOF)是指由于物体移动而引起的模糊。DOF是可以保持完全对焦的最大物体深度。这也是物体移动的量(进出最佳焦点)，同时保持所需的焦点量。当一个物体被放置在比工作距离更近或更远的地方时，它就会失焦，分辨率和对比度都会受到影响。因此，DOF与定义的分辨率和对比度相关联。与聚焦深度一样，可以通过关闭镜头光圈(增加F/#)来增加景深;并且需要相应地增加照明。

镜头的DOF范围取决于它的有效焦距、允许的模糊直径和标称的后焦距。一些镜头被设计成超焦或超焦能力，这意味着焦距范围的远点延伸到无限远。这种情况经常出现在定焦距镜头中。景深很深，但可以借助虹膜进行改变。

远心镜头不应与大景深镜头混淆。远心镜头使机器视觉系统能够控制其放大倍率，消除透视误差，因此无论距离远近，所有大小相等的物体都能在相同高度成像。这种透镜的一个应用实例是分析计算机电路板。远心镜头通常具有一定的工作距离范围，每个工作距离点周围的景深有限。当考虑远心是否适用于一个项目时，集成商应该同时考虑工作距离范围和景深。

在某些情况下，如管道检查，大景深可以产生变焦镜头。变焦镜头类似于变焦镜头，在需要经常调整焦距时使用。这些镜头通常是电动的，以确保焦平面的平滑移位。使用这种透镜，可以对管道的整个长度进行扫描，基本上是一段一段地扫描，通过调整焦距来检查缺陷。然而，与变焦镜头不同，镜头的工作距离也会改变，可能需要重新调整定位。

环境的重要性

机器视觉系统的环境问题包括物体反射率、照明、温度、振动和污染物。物体的反射会引起眩光并模糊其特征。镜片外壳和镜片罩中的挡板可以减少散射光引起的眩光。挡板是不透明的圆盘，中间有精心设计的孔，以限制到达传感器的光路。偏振或漫射光源也有助于减少或消除物体上的热点。

照明，尤其是单色照明，可以增强物体的对比度，最大限度地提高镜头的图像质量。当使用单色相机时，对比度尤其重要，并且通过加法或减法过程产生。在加性过程中，单色光源和相机镜头滤光片与被分析对象所在介质的颜色相匹配。物体周围的区域反射或传输系统中的光，并且看起来比物体更亮。该技术在凝胶或有色流体背光检测颗粒的应用中非常有用。

相反，在减法系统中，使用一个过滤器来阻挡物体周围的反射光。这使得对象看起来比它周围的所有项目都要轻。在一些应用中，如药丸检测，物体的颜色可能是其唯一可区分的特征，使用滤镜。

高温环境会导致透镜中光学元件的热膨胀。不是所有的镜片都能承受温度变化。当检查热物体时，长工作距离的镜头是最好的。

另一个考虑因素是振动，通常可以通过将镜头直接安装在隔离平台或桌子上而不是相机上来减少振动。较重的相机镜头通常配有安装夹。如果镜片不能直接安装在面包板或类似的隔离台上，则可以将镜片安装在隔离台上。吊杆架放置在隔离平台是主相机/镜头支架的例子。

工业环境中的污染物会使镜片表面退化。恶劣环境光学(HEO)产品专为提供高质量图像而设计，同时保持长期暴露在恶劣条件下。由于光学元件是密封的，因此heo可以承受液体浸泡，抗磨损和腐蚀，防止灰尘暴露，并抵抗机械冲击。

相机镜头对机器视觉系统有着深远的影响。为了为应用选择合适的镜头，机器视觉集成商必须知道被分析对象的尺寸、特征和反射率。他或她还必须估计工作距离范围和景深，以查看一个重要的厚度项目。当改变对象和图像空间时，集成商可以做出使系统更灵活的选择，但也会降低整体性能。随着环境变得更加动态和苛刻，选择能够经受住挑战的镜头至关重要。

作者信息

Timne Bilton是Edmund Optics的应用工程师。与她联系:tbilton@edmundoptics.com．

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