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机器视觉中CCD工业相机镜头的选择

时间:2016-11-26  来源:视觉检测系统-CCD视觉检测-http://www.chytime-ccd.com-深圳市创盈时代科技  点击:900

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:

①与白色LED光源配合使用的,镜头应该是可见光波段。没有变焦要求,选择定焦镜头就可以了。

②用于工业检测,其中带有测量功能,所以,所选镜头的畸变要求小。

③工作距离和焦距。

成像的放大率PMAG=4.65/(0.05x100)=0.093;

焦距f'=LxM/(M+1)=200x0.093/1.093=17mm;

物距要求小于200mm,则选择的镜头要求焦距应该大于17mm。

④选择镜头的像面应该不小于CCD尺寸,即至少2/3in。

⑤镜头的接口要求是C口,能配合相机使用。光圈暂无要求。

从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的”轮廓“:焦距大于17mm,定焦,可见光波段,C口,至少能配合2/3inCCD使用,而且成像畸变要小。按照这些要求,可以进一步挑选,如果多款镜头都能符合这些要求,可以择优选用。

 

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