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选择工业镜头时应注意的几个因素

时间:2014-05-01来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华机器视觉网 点击:

选择工业镜头时应注意的几个因素

  在机器视觉系统中工业相机图像处理软件和机器视觉光源固然很重要,但是工业镜头的作用亦不可或缺。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,那么今天机器视觉商城http://shixinhua.com/mall就围绕其他三个因素来具体说明。
 
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。
 
  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。
  
  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。PMAG又叫光学放大倍数,是由像大小比物大小所以得,即:
 
PMAG=传感器尺寸/FOV
 
  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。系统放大率又叫物理放大倍数,定义为:
 
SMAG=PMAG×显示器尺寸/传感器尺寸
 
  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。这些刻线法以线对(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对或者点距的能力,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。
 
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