机器视觉中CCD工业相机镜头的选择

2022-09-30 11:29:11

　　合适的镜头选择对于机器视觉能否发挥应有的作用是非常重要的。镜头的选择过程，是将镜头各项参数逐步明确化的过程。作为成像器件，镜头通常与光源、相机一起构成一个完整的图像采集系统，因此镜头的选择受到整个系统要求的制约。一般地可以按以下几个方面来进行分析考虑。

　　系统若想完全发挥其功能，镜头必须要能够满足要求才行。当为控制系统选择镜头的时候，机器视觉集成商应该考虑四个主要因素：可以检测物体类别和特性;景深或者焦距;加载和检测距离;运行环境。

　　分析这四个因素，可以针对具体应用确定合适的镜头选择。

　　1.波长、变焦与否

　　镜头的工作波长和是否需要变焦是比较容易先确定下来的，成像过程中如果需要改变放大的倍率，可以采用变焦镜头，否则采用定焦镜头。

　　关于镜头的工作波长，常见的是可见光波段，也有其他波段。是否需要另外采取滤光措施?单色光还是多色光?能否有效避开杂散光的影响?把这几个问题考虑清楚，综合衡量后再确定镜头的工作波长。

　　2.特殊要求优先考虑

　　结合实际的应用特点，可能会有特殊的要求，应该先予以明确下来。例如是否有测量功能，是否需要使用远心镜头，成像的景深是否很大等。景深往往不被重视，但是它却是任何成像系统都必须考虑的。

　　景深是指由探测器移动引起的可以接受的模糊范围。光学系统的性能取决于允许的图像模糊程度，模糊可能源于物体平面或者图像平面的位置漂移。景深效果(DOF)是指由于物体移动导致的模糊。DOF是完全在焦距范围内最大的物体深度，它也是保持理想对焦状态下物体允许的移动量(从最佳焦距前后移动)。当物体的放置位置比工作距离近或者远的时候，它就位于焦外了，这样解析度和对比度都会受到不好的影响。出于这个原因，DOF同指定的分辨率和对比度相配合。当景深一定的情况下，DOF可以通过缩小镜头孔径来变大，同时也需要光线增强。

　　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。这些镜头经常是电机驱动的，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，同缩放镜头不同，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。

　　3.工作距离、焦距

　　工作距离和焦距往往结合起来考虑。一般地，可以采用这个思路：先明确系统的分辨率，结合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离，进一步估算镜头的焦距。所以镜头的焦距是和镜头的工作距离、系统分辨率(及CCD像素尺寸)相关的。

　　4.像面大小和像质

　　所选镜头的像面大小要与相机感光面大小兼容，遵循“大的兼容小的”原则——相机光面不能超出镜头标示的像面尺寸——否则边缘视场的像质不保。

　　像质的要求主要关注MTF的畸变两项。在测量应用中，尤其应该重视畸变。

　　5.光圈和接口

　　镜头的光圈主要影响像面的亮度。但是现在的机器视觉系统中，最终的图像亮度是由很多因素共同决定：光圈、相机增益、积分时间、光源等。所以，为了获得必要的图像亮度有比较多的环节供调整。

　　镜头的接口指它与相机的连接接口，它们两者需匹配，不能直接匹配就需考虑转接。

　　6.成本和技术成熟度

　　如果以上因素考虑完之后有多项方案都能满足要求，则可以考虑成本和技术成熟度，进行权衡择优选取。

　　例如，要给硬币检测成像系统选配镜头，约束条件：相机CCD2/3in，像素尺寸4.65μm,C口。工作距离大于200mm，系统分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。

　　基本分析如下：