機(jī)器視覺鏡頭的基本參數(shù)和選用原則

基本參數(shù)

鏡頭的主要參數(shù)有焦距、分辨率、工作距離、景深、視野范圍、畸變量等。

分辨率：指在像面處鏡頭在單位毫米內(nèi)能夠分辨的黑白相間的條紋對數(shù)，受鏡頭結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工精度等因素的影響。下圖的分辨率為1/2d，其中，d為線寬。分辨率的單位為lp/mm（線對/毫米）。鏡頭和相機(jī)的分辨率影響最終成像的質(zhì)量。

工作距離：一般指鏡頭前端到被測物體的距離，小于最小工作距離、大于最大工作距離的系統(tǒng)一般不能清晰成像。

景深：以鏡頭最佳聚焦時的工作距離為中心，前后存在一個范圍，在此范圍內(nèi)鏡頭都可以清晰成像。景深受焦距和光圈的影響：鏡頭的焦距越短，景深的范圍就越大，光圈越小，景深就越大

視野范圍：圖像采集設(shè)備所能夠覆蓋的范圍，即和靶面上的圖像所對應(yīng)的物平面的尺寸。

焦距：鏡頭焦距與凸透鏡的焦距概念略有不同，因為鏡頭是多個凸透鏡組合而成的。焦距是從鏡頭的中心點到膠平面上所形成的清晰影像之間的距離。根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類。

畸變量：因凸透鏡的固有特性造成的成像失真，無法完全消除?；兿癫钪挥绊懗上竦膸缀涡螤睿挥绊懗上竦那逦?。

選用原則

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是將成像目標(biāo)在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質(zhì)量直影響到機(jī)器視覺系統(tǒng)的整體性能，合理地選擇和安裝鏡頭，是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

第一步選擇合適的鏡頭接口

常用的鏡頭接口類型有C口、CS口、F口等，在選用鏡頭時要首先確定鏡頭的接口類型。

第二步確定焦距

焦距是相機(jī)最主要的參數(shù)之一，一般先考慮焦距是否能夠滿足需求。根據(jù)系統(tǒng)的整體尺寸和工作距離，結(jié)合靶面尺寸和待測范圍的比值可以計算出鏡頭的焦距。

第三步確定靶面尺寸

鏡頭的靶面尺寸要大于相機(jī)的靶面尺寸，否則進(jìn)光量可能會導(dǎo)致圖像信息的缺損。

第四步根據(jù)項目需求，綜合考慮分辨率、畸變、景深等參數(shù)，根據(jù)光照環(huán)境確定光圈。

機(jī)器視覺硬件中的光源

光源選用

1.形狀自由度高，可以組合成各種形狀、尺寸，能夠自由調(diào)整照射角度，可以根據(jù)客戶需要定制；

2.可以根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時調(diào)整亮度；

3.光源散熱性好，光亮度穩(wěn)定，使用壽命長，可連續(xù)使用約數(shù)萬小時；

4.反應(yīng)快捷，可在極短時間內(nèi)達(dá)到最大亮度；

5.運(yùn)行成本低，性價比較高。

明場照明與暗場照明

明場照明指光線反射后進(jìn)入照相機(jī)，而暗場照明為光線反射后未進(jìn)入照相機(jī)。通常明場照明用直射光來觀察對象物整體(散亂光呈黒色)，對形成高對比度有益，但反光表面會生成鏡面反射。暗場照明用散亂光來觀察對象物整體(直射光呈白色)，漫射光被反射進(jìn)入照相機(jī)但鏡面反射光線被反射離開。

在缺陷檢測中，明場照明主要用于散射和吸收光線缺陷類型的檢測,在大多數(shù)明場照明圖像中，背景亮，缺陷暗。暗場照明主要用于光滑工件表面上含有散射光的缺陷類型檢測。在大多數(shù)暗場照明采集的圖像中，背景暗，僅僅缺陷可見。暗場照明常被用于檢測表面污垢和表面突起的特征。

背向照明和前向照明

背向照明是將光源置于物體的后面，這種照明方式能夠突出不透明物體的陰影或觀察透明物體的內(nèi)部。背向照明能夠?qū)⒈粶y物的邊緣輪廓清晰地勾勒出來，在圖像中，被擋物體的部分為黑色，未被遮擋的部分為白色，因此形成黑白分明的圖像。前向照明與背向照明相反，燈源置于被測物和相機(jī)之間，根據(jù)角度的不同又可以分為“低角度”（小于25度）和“高角度”（75度以上）。

輔助光學(xué)配件

偏振片：偏振片的作用是限制特定的光波通過，使用偏振片可以消除光反射產(chǎn)生的影響從而突出表面的細(xì)節(jié)，偏振片一般安裝在鏡頭上或者光源的一側(cè)。

防外亂光濾鏡：防外亂光濾鏡的作用是消減外界環(huán)境光對系統(tǒng)光源的影響，使用光濾鏡能夠?qū)⑾到y(tǒng)外部的漫射光過濾掉。

漫射板：漫射板的作用是使光變的均勻。漫射板是玻璃的一個表面通過金剛砂打磨成凹凸不平后制作出的一種玻璃，光線通過漫射板折射后向四面八方射出去，這樣光線就變的均勻了。

機(jī)器視覺系統(tǒng)相機(jī)解析

CCD相機(jī)參數(shù)

（1）分辨率：相機(jī)每次采集圖像的像素點數(shù)，對于數(shù)字相機(jī)一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對應(yīng)的，對于模擬相機(jī)則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480。

空間分辨率指在遙感影像上，能識別的兩個相鄰物體的最小距離。對于攝像影像，一般用單位長度內(nèi)包含可分辨的黑白線的對數(shù)（單位：線對/毫米）?？臻g分辨率是評價傳感器性能的重要指標(biāo)。

（2）像素深度：即每像素數(shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對于數(shù)字相機(jī)一般還會有10Bit、12Bit等

（3）最大幀率/行頻：相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對于面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)，對于線陣相機(jī)為每秒采集的行數(shù)。

（4）曝光方式和快門速度：對于線陣相機(jī)都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個固定的時間；面陣相機(jī)有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，數(shù)字相機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功能?？扉T速度一般可到10微秒，高速相機(jī)還可以更快。

（5）像元尺寸：像元大小和像元數(shù)共同決定了相機(jī)靶面的大小。目前數(shù)字相機(jī)像元尺寸一般為3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質(zhì)量也越不容易提高。

（6）光譜響應(yīng)特性：是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350-1000nm，一些相機(jī)在靶面前加了一個濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

工業(yè)相機(jī)優(yōu)點

（1）性能穩(wěn)定，易于安裝，其結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實，不易損害，在較差的工業(yè)環(huán)境下，也可以應(yīng)用。

（2）快門時間非常短，可以抓拍高速運(yùn)動的物體。

（3）工業(yè)相機(jī)的幀率比普通相機(jī)大很多。工業(yè)相機(jī)每秒可以拍攝10幅到幾百幅圖片，而普通相機(jī)一般只有2、3幅左右，相差較大。

（4）工業(yè)相機(jī)可以長時間工作，比如每天工作24小時、連續(xù)工作6個月，而普通相機(jī)則不行。

（5）工業(yè)相機(jī)可實現(xiàn)編程控制，可以設(shè)置任意時間、任意時間間隔等進(jìn)行拍攝。

審核編輯：湯梓紅