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具体说明选择工业镜头时应注意的几个因素
发布时间:2014-04-22 点击量:2211

光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件,直接影响成像质量的优劣,影响算法的实现和效果。另外选择合适的工业镜头,降低机器视觉系统成本,是产业兴旺发达的唯一出路,而对于机器视觉是否能发挥应有的作用也是非常重要的。

在机器视觉系统中工业相机、分析软件和机器视觉光源固然很重要,但是最关键的元件还是成像镜头。系统若想完全发挥其功能,工业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。早期我们也介绍过环境因素对镜头选择的影响,那么今天中国机器视觉商城(www.china-vision.com.cn)就围绕其他三个因素来具体说明。

物体特性

在为机器视觉系统选择工业镜头之前,系统集成商必须确定物体和分析环境。这个可视区域叫做无遮挡视场(FOV),它可以使用竖直和水平两个角度进行测量。通常,竖直方向和水平方向尺寸的比例是4:3,这个比例取决于照相机传感器工作区域的尺寸。传感器的大小对于确定无遮挡视场所需要的主要放大率(PMAG)是非常重要的。PMAG是由传感器尺寸与FOV相比得到,是镜头的工作成效。当确定镜头是否合适的时候,这一点需要考虑。

镜头放大率对于不同尺寸芯片照相机匹配镜头相当重要,然而,不要把镜头放大率和显微镜放大率搞混了,后者是由光管长度和实际物镜焦距决定的。而工业镜头放大率主要考虑的是照相机传感器的尺寸。

系统放大率(SMAG)是监视器尺寸与传感器尺寸的比例与PMAG的乘积结果。它是从物体到监视器图像的总体放大率,也就是整个系统的“工作”结果。考虑物体的屏幕尺寸时,系统放大率是有用的。

物体的特性也很重要。工业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。确定系统解析度、或者物体最小更解析特征的方法,可以使用诸如伦奇刻线法这样的解像力方法。这些刻线法以线耦(等宽度的一条黑线和一条白线)来决定特征。其他的解像力方法还可以用圆圈和点状网格。

镜头在指定光线条件下辨识特定宽度的线耦或者点距的能力,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。

距离约束

自动化机器视觉系统和装配线所需的空间差异很大,可以只有几米,也可能需要一整座厂房。所谓的工作距离,是指当图像在焦距范围内的时候,物体和工业相机镜头前端的距离。它限制了视觉系统以及和视觉系统一起工作的设备所需要的空间。有一些应用,比如通过真空炉端口观察,工作距离非常灵活,近焦镜头和长工作距离视频显微镜头都可以使用。其他的应用,比如强电微观检测,工作距离就只有几个英寸。

在极限范围内,通过镜头重新对焦,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。

存放和加载限制,包括用于艰苦环境的保护外壳,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。很多相机镜头需要平稳加载,但是当物体空间(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。

景深

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。景深是指由探测器移动引起的可以接受的模糊范围,它依赖于工作F数(F/#),可以用来衡量镜头的聚光能力。F/#在镜头孔径减小时增加。减小镜头孔径,就意味着增加F/#,也就是增加系统景深,但是却减少了传感器的进光量,所以要提高照明等级进行补偿。

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同指定的解析度和对比度相配合。当景深一定的情况下,DOF可以通过缩小镜头孔径(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,这就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。

需要注意的是不要把远心镜头和大景深镜头弄混了。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,无论它距离工业相机有多远。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。集成商在为一个项目选择远心镜头的时候,既需要考虑工作距离范围,还需要考虑景深效果。

工业镜头对于机器视觉系统有着深远的影响,而根据实际应用来选择符合系统要求的镜头,才能确保系统的稳定性,最终发挥其优势之所在。

来源:中国机器视觉商城
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