機器視覺鏡頭的選擇

機器視覺爲工(gōng)業控制系統增加了新的維度，它可以提供裝配線上零件的尺寸、位置和方向。而合适的鏡頭選擇對于機器視覺能否發揮應有的作用是非常重要的。

在絕大(dà)多數機器視覺應用裏，光學控制都是非常重要的。機器人視覺系統同樣要求極高的可重複性，因此減少抖動提供清晰圖像是必要的。
盡管照相機、分(fēn)析軟件和照明對于機器視覺系統都是十分(fēn)重要的，可能最關鍵的元件還是成像鏡頭。系統若想完全發揮其功能，鏡頭必須要能夠滿足要求才行。當爲控制系統選擇鏡頭的時候，機器視覺集成商(shāng)應該考慮四個主要因素：
■ 可以檢測物(wù)體(tǐ)類别和特性；　■ 景深或者焦距； 　■ 加載和檢測距離(lí)；　■ 運行環境。 
分(fēn)析這四個因素，可以針對具體(tǐ)應用确定合适的鏡頭選擇。 

物(wù)體(tǐ)特性 
在爲機器視覺系統選擇鏡頭之前，系統集成商(shāng)必須确定物(wù)體(tǐ)和分(fēn)析環境。這個可視區域叫做無遮擋視場（FOV），它可以使用豎直和水平兩個角度進行測量。通常，豎直方向和水平方向尺寸的比例是4：3，這個比例取決于照相機傳感器工(gōng)作區域的尺寸。傳感器的大(dà)小(xiǎo)對于确定無遮擋視場所需要的主要放(fàng)大(dà)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(gōng)作成效。當确定鏡頭是否合适的時候，這一(yī)點需要考慮。

鏡頭放(fàng)大(dà)率對于不同尺寸芯片照相機匹配鏡頭相當重要，然而，不要把鏡頭放(fàng)大(dà)率和顯微鏡放(fàng)大(dà)率搞混了，後者是由光管長度和實際物(wù)鏡焦距決定的。而鏡頭放(fàng)大(dà)率主要考慮的是照相機傳感器的尺寸。

系統放(fàng)大(dà)率（SMAG）是監視器尺寸與傳感器尺寸的比例與PMAG的乘積結果。它是從物(wù)體(tǐ)到監視器圖像的總體(tǐ)放(fàng)大(dà)率，也就是整個系統的“工(gōng)作”結果。考慮物(wù)體(tǐ)的屏幕尺寸時，系統放(fàng)大(dà)率是有用的。

物(wù)體(tǐ)的特性也很重要。鏡頭對于物(wù)體(tǐ)特征的解析能力依賴于特征的對比是否強烈。确定系統解析度、或者物(wù)體(tǐ)最小(xiǎo)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(yī)條黑線和一(yī)條白(bái)線）來決定特征。其他的解像力方法還可以用圓圈和點狀網格。
鏡頭在指定光線條件下(xià)辨識特定寬度的線耦或者點距的能力，決定了它的解析度。解析度通常被模塊轉換功能（MTF）以圖像的方式顯示出來。
圖形顯示了指定線耦頻(pín)率下(xià)可行的相對對比度。扭曲、色差和其他波前畸變都會影響曲線的斜率，使曲線偏離(lí)理想狀态或者衍射極限的光學表現。鏡頭方案有時候會以每毫米線耦數量（lp/mm）爲單位列出物(wù)體(tǐ)解析度，再将這個值除以1000就可以預測出鏡頭每微米的物(wù)體(tǐ)解析度。
在進行表面剖析的時候，通常不隻使用一(yī)台照相機和鏡頭，而了解鏡頭的内在偏差（aberration）量也是有價值的。偏差是指鏡頭裏的光學誤差，可以引起同一(yī)張圖片裏不同點的圖像質量差異。剖析通常包括激光線和其他圖像裏的光線，這樣可以确保測量的準确性。一(yī)些軟件程序可以消除諸如鏡頭引起的扭曲之類的誤差，所以在最終圖像裏隻有剖析數據是明顯的。
大(dà)型格式和區域掃描照相機鏡頭是控制應用優秀的解決方案，因爲它具有高解析度、低扭曲和有限色差。大(dà)範圍FOV和兼容性，以及大(dà)型格式傳感器，使這些鏡頭在Web、LCD、食品和飲料行業的應用具有很高的價值。

距離(lí)約束 
自動化機器視覺系統和裝配線所需的空間差異很大(dà)，可以隻有幾米，也可能需要一(yī)整座廠房。所謂的工(gōng)作距離(lí)，是指當圖像在焦距範圍内的時候，物(wù)體(tǐ)和照相機鏡頭前端的距離(lí)。它限制了視覺系統以及和視覺系統一(yī)起工(gōng)作的設備所需要的空間。有一(yī)些應用，比如通過真空爐端口觀察，工(gōng)作距離(lí)非常靈活，近焦鏡頭和長工(gōng)作距離(lí)視頻(pín)顯微鏡頭都可以使用。其他的應用，比如強電微觀檢測，工(gōng)作距離(lí)就隻有幾個英寸。
在極限範圍内，通過鏡頭重新對焦，可以改變工(gōng)作距離(lí)。無限共轭鏡頭的對焦距離(lí)可以從最小(xiǎo)工(gōng)作距離(lí)一(yī)直到無限遠，有限共轭鏡頭則有一(yī)個特定工(gōng)作距離(lí)範圍。
存放(fàng)和加載限制，包括用于艱苦環境的保護外(wài)殼，必須具有足夠的柔性，可以根據工(gōng)作距離(lí)進行調整。比如在很多安裝場合，感興趣的産品區域和産品線可能在檢測過程中(zhōng)發生(shēng)變化，這就要求視覺系統和視覺元件可以根據若幹種傳感條件進行調整。很多照相機鏡頭需要平穩加載，但是當物(wù)體(tǐ)空間（物(wù)體(tǐ)和鏡頭之間的距離(lí)）受到限制，改變像空間（image space，鏡頭與圖像之間的距離(lí)），就可以改變工(gōng)作距離(lí)。
像空間可以使用兩種方式進行改變：通過縮放(fàng)功能或者隔離(lí)。縮放(fàng)鏡頭可以調整照相機系統的視場，而不需要改變工(gōng)作距離(lí)。一(yī)些縮放(fàng)系統的元件可以定制組成特殊型号的系統。度量衡和顯微應用需要以微米爲單位進行放(fàng)大(dà)，這些鏡頭系統可以同顯微鏡下(xià)的物(wù)體(tǐ)對應。縮放(fàng)鏡頭保持着高解析度，但是成本高昂。另外(wài)一(yī)種方案，鏡頭隔離(lí)器十分(fēn)經濟，并且可以縮短工(gōng)作距離(lí)、減小(xiǎo)鏡頭的可視範圍。然而不幸的是，這會帶來扭曲同時降低解析度。因此，除非空間調整是在5mm之内或者鏡頭的設計就帶有隔離(lí)器，否則隔離(lí)器不是一(yī)個推薦的方案。

景深 
光學系統的性能取決于允許的圖像模糊程度，模糊可能源于物(wù)體(tǐ)平面或者圖像

平面的位置漂移。景深是指由探測器移動引起的可以接受的模糊範圍，它依賴于工(gōng)作F數（F/#），可以用來衡量鏡頭的聚光能力。F/#在鏡頭孔徑減小(xiǎo)時增加。減小(xiǎo)鏡頭孔徑，就意味着增加F/#，也就是增加系統景深，但是卻減少了傳感器的進光量，所以要提高照明等級進行補償。列出景深的鏡頭方案也應該給出相應的F/#值，如果這個值可以測量的話(huà)。
景深效果（DOF）是指由于物(wù)體(tǐ)移動導緻的模糊。DOF是完全在焦距範圍内最大(dà)的物(wù)體(tǐ)深度，它也是保持理想對焦狀态下(xià)物(wù)體(tǐ)允許的移動量（從最佳焦距前後移動）。當物(wù)體(tǐ)的放(fàng)置位置比工(gōng)作距離(lí)近或者遠的時候，它就位于焦外(wài)了，這樣解析度和對比度都會受到不好的影響。出于這個原因，DOF同指定的解析度和對比度相配合。當景深一(yī)定的情況下(xià)，DOF可以通過縮小(xiǎo)鏡頭孔徑（也就是增加F/#值）來變大(dà)，同時也需要光線增強。
鏡頭的DOF範圍取決于有效焦距、可接受的模糊直徑。有一(yī)些鏡頭被設計成超焦或者可超焦的，這就意味着焦内的遠點可以拓展到無限遠。這種技術通常應用在定焦鏡頭上，景深效果很深，但是卻可以通過虹膜的幫助進行調整。
不要把遠心鏡頭和大(dà)景深鏡頭弄混了。遠心鏡頭可以使機器視覺系統控制放(fàng)大(dà)率、消除潛在誤差，所以同尺寸的物(wù)體(tǐ)在照片上高度都是一(yī)緻的，無論它距離(lí)照相機有多遠。這種鏡頭一(yī)個實際應用的例子是分(fēn)析計算機電路闆。遠心鏡頭通常有一(yī)個工(gōng)作距離(lí)範圍，在每一(yī)個工(gōng)作距離(lí)點形成有限的景深。集成商(shāng)在爲一(yī)個項目選擇遠心鏡頭的時候，既需要考慮工(gōng)作距離(lí)範圍，還需要考慮景深效果。
在很多情況下(xià)，比如說管道檢測，可以使用變焦鏡頭獲得較大(dà)的景深。變焦鏡頭和縮放(fàng)鏡頭很類似，應用在需要經常變換焦距的場合。這些鏡頭經常是馬達驅動的，可以保證在對焦平面上平滑移動。使用這樣的鏡頭，整個管道、每一(yī)個環節都可以掃描到，通過調整焦距來發現每個缺陷。然而，同縮放(fàng)鏡頭不通，變焦鏡頭的工(gōng)作距離(lí)也可以變化，可以根據需要進行重新定位。

USAF目标法展示了不同的寬度的倫奇刻線，可以衡量鏡頭的性能。
環境的重要性
機器視覺系統的環境因素包括物(wù)體(tǐ)反射系數、光線、溫度、振動和污染物(wù)。物(wù)體(tǐ)的反射會導緻高光，還可能使特征模糊。鏡頭外(wài)殼和遮光罩中(zhōng)的障闆可以降低光散引起的高光現象。障闆爲不透明的圓片，爲鏡頭的中(zhōng)心孔徑特别設計，可以限制到達傳感器的光線。極化或者散射光源同樣也可以避免物(wù)體(tǐ)反射出現的熱點。
光，尤其是單色光，可以使物(wù)體(tǐ)的對比度提高，使鏡頭圖像的質量最大(dà)化。在使用黑白(bái)照相機的時候，對比度是非常重要的，可以通過加減過程産生(shēng)。在加法過程中(zhōng)，單色光源和照相機鏡頭濾鏡同分(fēn)析物(wù)體(tǐ)所在的媒介顔色相匹配，物(wù)體(tǐ)周圍的區域可以反射并且傳輸光線，所以顯得比物(wù)體(tǐ)更加明亮。這項技術在凝膠和彩色液體(tǐ)用作背光式觸摸屏或者微粒檢測的應用很有價值。
相反，在減法系統中(zhōng)，濾鏡屏蔽了物(wù)體(tǐ)周邊的反射光，這使得物(wù)體(tǐ)看起來比周邊明亮。像藥丸檢測這樣的應用，物(wù)體(tǐ)的顔色可能是它僅有的特征，這時候就要使用濾鏡。
高溫環境下(xià)，可能因爲鏡頭裏光學元件的熱膨脹出現問題。并不是所有的鏡頭都可以适應溫度變化，在檢測熱物(wù)體(tǐ)時，最好使用工(gōng)作距離(lí)比較長的鏡頭。
另外(wài)一(yī)個要考慮的因素是振動。通常需要将鏡頭裝載到和照相機隔離(lí)的平台和桌面上，來減少振動。重型的照相機鏡頭總是帶有卡具，如果鏡頭不能直接裝在案闆或者類似的隔離(lí)桌面上，那麽就把裝載鏡頭的物(wù)體(tǐ)放(fàng)在獨立平台上吧。固定在獨立平台上的機械手就經常用來裝載照相機和鏡頭。

獨立平台可以減少振動
工(gōng)業環境下(xià)的污染物(wù)會腐蝕鏡頭表面。極端環境光學（HEO）産品進行了專門設計，即便是長期暴露在嚴酷環境下(xià)，也可以提供高質量的圖像。因爲它的光學元件是嚴格密封的，HEO産品可以在水下(xià)使用，能夠抗腐蝕、防塵，并且不受機械影響。
照相機鏡頭對于機器視覺系統有着深遠的影響。爲了實際應用選擇合适的鏡頭，機器視覺集成商(shāng)必須對物(wù)體(tǐ)的尺寸、特征和反射率都要進行分(fēn)析。他/她還必須要估計工(gōng)作距離(lí)範圍以及物(wù)體(tǐ)厚度所需要的景深。當改變物(wù)體(tǐ)和圖像間隔的時候，集成商(shāng)可以使用更加靈活的系統，也可以降低性能。所有的環境都是在不斷變化的，還要符合一(yī)定的要求，所以選擇一(yī)款合适的鏡頭非常重要。