光學(xué)鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)中必不可少的部件，直接影響成像質(zhì)量的優(yōu)劣，影響算法的實(shí)現(xiàn)和效果。另外選擇合適的工業(yè)鏡頭，降低機(jī)器視覺系統(tǒng)成本，是產(chǎn)業(yè)興旺發(fā)達(dá)的唯一出路，而對于機(jī)器視覺是否能發(fā)揮應(yīng)有的作用也是非常重要的。
在機(jī)器視覺系統(tǒng)中工業(yè)相機(jī)、分析軟件和機(jī)器視覺光源固然很重要，但是最關(guān)鍵的元件還是成像鏡頭。系統(tǒng)若想完全發(fā)揮其功能，工業(yè)鏡頭必須要能夠滿足要求才行。當(dāng)為控制系統(tǒng)選擇鏡頭的時(shí)候，機(jī)器視覺集成商應(yīng)該考慮四個(gè)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(yùn)行環(huán)境。分析這四個(gè)因素，可以針對具體應(yīng)用確定合適的鏡頭選擇。早期我們也介紹過環(huán)境因素對鏡頭選擇的影響，那么今天中國機(jī)器視覺商城就圍繞其他三個(gè)因素來具體說明。
物體特性
在為機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇工業(yè)鏡頭之前，系統(tǒng)集成商必須確定物體和分析環(huán)境。這個(gè)可視區(qū)域叫做無遮擋視場(FOV)，它可以使用豎直和水平兩個(gè)角度進(jìn)行測量。通常，豎直方向和水平方向尺寸的比例是4：3，這個(gè)比例取決于照相機(jī)傳感器工作區(qū)域的尺寸。傳感器的大小對于確定無遮擋視場所需要的主要放大率(PMAG)是非常重要的。PMAG是由傳感器尺寸與FOV相比得到，是鏡頭的工作成效。當(dāng)確定鏡頭是否合適的時(shí)候，這一點(diǎn)需要考慮。
鏡頭放大率對于不同尺寸芯片照相機(jī)匹配鏡頭相當(dāng)重要，然而，不要把鏡頭放大率和顯微鏡放大率搞混了，后者是由光管長度和實(shí)際物鏡焦距決定的。而工業(yè)鏡頭放大率主要考慮的是照相機(jī)傳感器的尺寸。
系統(tǒng)放大率(SMAG)是監(jiān)視器尺寸與傳感器尺寸的比例與PMAG的乘積結(jié)果。它是從物體到監(jiān)視器圖像的總體放大率，也就是整個(gè)系統(tǒng)的“工作”結(jié)果?？紤]物體的屏幕尺寸時(shí)，系統(tǒng)放大率是有用的。
物體的特性也很重要。工業(yè)鏡頭對于物體特征的解析能力依賴于特征的對比是否強(qiáng)烈。確定系統(tǒng)解析度、或者物體最小更解析特征的方法，可以使用諸如倫奇刻線法這樣的解像力方法。這些刻線法以線耦(等寬度的一條黑線和一條白線)來決定特征。其他的解像力方法還可以用圓圈和點(diǎn)狀網(wǎng)格。
鏡頭在指定光線條件下辨識(shí)特定寬度的線耦或者點(diǎn)距的能力，決定了它的解析度。解析度通常被模塊轉(zhuǎn)換功能(MTF)以圖像的方式顯示出來。
距離約束
自動(dòng)化機(jī)器視覺系統(tǒng)和裝配線所需的空間差異很大，可以只有幾米，也可能需要一整座廠房。所謂的工作距離，是指當(dāng)圖像在焦距范圍內(nèi)的時(shí)候，物體和工業(yè)相機(jī)鏡頭前端的距離。它限制了視覺系統(tǒng)以及和視覺系統(tǒng)一起工作的設(shè)備所需要的空間。有一些應(yīng)用，比如通過真空爐端口觀察，工作距離非常靈活，近焦鏡頭和長工作距離視頻顯微鏡頭都可以使用。其他的應(yīng)用，比如強(qiáng)電微觀檢測，工作距離就只有幾個(gè)英寸。
在極限范圍內(nèi)，通過鏡頭重新對焦，可以改變工作距離。無限共軛鏡頭的對焦距離可以從最小工作距離一直到無限遠(yuǎn)，有限共軛鏡頭則有一個(gè)特定工作距離范圍。
存放和加載限制，包括用于艱苦環(huán)境的保護(hù)外殼，必須具有足夠的柔性，可以根據(jù)工作距離進(jìn)行調(diào)整。比如在很多安裝場合，感興趣的產(chǎn)品區(qū)域和產(chǎn)品線可能在檢測過程中發(fā)生變化，這就要求視覺系統(tǒng)和視覺元件可以根據(jù)若干種傳感條件進(jìn)行調(diào)整。很多相機(jī)鏡頭需要平穩(wěn)加載，但是當(dāng)物體空間(物體和鏡頭之間的距離)受到限制，改變像空間(image space，鏡頭與圖像之間的距離)，就可以改變工作距離。
景深
光學(xué)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。景深是指由探測器移動(dòng)引起的可以接受的模糊范圍，它依賴于工作F數(shù)(F/#)，可以用來衡量鏡頭的聚光能力。F/#在鏡頭孔徑減小時(shí)增加。減小鏡頭孔徑，就意味著增加F/#，也就是增加系統(tǒng)景深，但是卻減少了傳感器的進(jìn)光量，所以要提高照明等級(jí)進(jìn)行補(bǔ)償。
景深效果(DOF)是指由于物體移動(dòng)導(dǎo)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?fàn)顟B(tài)下物體允許的移動(dòng)量(從最佳焦距前后移動(dòng))。當(dāng)物體的放置位置比工作距離近或者遠(yuǎn)的時(shí)候，它就位于焦外了，這樣解析度和對比度都會(huì)受到不好的影響。出于這個(gè)原因，DOF同指定的解析度和對比度相配合。當(dāng)景深一定的情況下，DOF可以通過縮小鏡頭孔徑(也就是增加F/#值)來變大，同時(shí)也需要光線增強(qiáng)。
鏡頭的DOF范圍取決于有效焦距、可接受的模糊直徑。有一些鏡頭被設(shè)計(jì)成超焦或者可超焦的，這就意味著焦內(nèi)的遠(yuǎn)點(diǎn)可以拓展到無限遠(yuǎn)。這種技術(shù)通常應(yīng)用在定焦鏡頭上，景深效果很深，但是卻可以通過虹膜的幫助進(jìn)行調(diào)整。
需要注意的是不要把遠(yuǎn)心鏡頭和大景深鏡頭弄混了。遠(yuǎn)心鏡頭可以使機(jī)器視覺系統(tǒng)控制放大率、消除潛在誤差，所以同尺寸的物體在照片上高度都是一致的，無論它距離工業(yè)相機(jī)有多遠(yuǎn)。這種鏡頭一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子是分析計(jì)算機(jī)電路板。遠(yuǎn)心鏡頭通常有一個(gè)工作距離范圍，在每一個(gè)工作距離點(diǎn)形成有限的景深。集成商在為一個(gè)項(xiàng)目選擇遠(yuǎn)心鏡頭的時(shí)候，既需要考慮工作距離范圍，還需要考慮景深效果。
工業(yè)鏡頭對于機(jī)器視覺系統(tǒng)有著深遠(yuǎn)的影響，而根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來選擇符合系統(tǒng)要求的鏡頭，才能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最終發(fā)揮其優(yōu)勢之所在。
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