技术文章
机器视觉的镜头选择创造不同
日期：2013-03-21
来源：九游会J9
机器人引导、目标识别和质量保证等领域。当前优秀的视觉系统已经超出了那些基本功能（例如辨别零件和确定方向）的范畴，还可以提供后续功能的信息，比如将物体从一个位置移至另一个。
对于装配线和大量检测操作中使用的机器人系统，比如汽车生产和检测线，传送带通常是参考。这里，机器人执行两项任务：识别和传送。
在绝大多数机器视觉应用里，光学控制都是非常重要的。机器人视觉系统同样要求极高的可重复性，因此减少抖动提供清晰图像是必要的。
在 类似药品工厂这样的大规模单位检测线上，视觉系统必须能够辨识缺陷包、不可读标签和产品缺失。视觉系统必须能够以极高的准确度快速识别和测量方形、圆形和 椭圆形物体。提高机器视觉系统的精确度，可以帮助保持统一的包装表面和颜色。对于食品检测系统，产品的尺寸、颜色、密度和形状都需要依靠多元检测才确定。 多元机器视觉系统既可以是彩色相机也可以是黑白相机，通常使用结构照明方法建立产品外表和内在结构。
尽管照相机、分析软件和照明对于机器视觉系统都是十分重要的，可能最关键的元件还是成像镜头。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。
物体特性
在 为机器视觉系统选择镜头之前，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 = 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。
SMAG = PMAG x 监视器尺寸/传感器尺寸
物 体的特性也很重要。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。这些刻线法以线耦（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耦或者点距的能力，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。
图形显示了指定线耦频率下可行的相对对比度。扭曲、色差和其他波前畸变都会影响曲线的斜率，使曲线偏离理想状态或者衍射极限的光学表现。镜头方案有时候会以每毫米线耦数量（lp/mm）为单位列出物体解析度，再将这个值除以1000就可以预测出镜头每微米的物体解析度。
在 进行表面剖析的时候，通常不只使用一台照相机和镜头，而了解镜头的内在偏差（aberration）量也是有价值的。偏差是指镜头里的光学误差，可以引起 同一张图片里不同点的图像质量差异。剖析通常包括激光线和其他图像里的光线，这样可以确保测量的准确性。一些软件程序可以消除诸如镜头引起的扭曲之类的误 差，所以在最终图像里只有剖析数据是明显的。
大型格式和区域扫描照相机镜头是控制应用优秀的解决方案，因为它具有高解析度、低扭曲和有限色差。大范围FOV和兼容性，以及大型格式传感器，使这些镜头在Web、LCD、食品和饮料行业的应用具有很高的价值。
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，物体和照相机镜头前端的距 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。很多照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。
像 空间可以使用两种方式进行改变：通过缩放功能或者隔离。缩放镜头可以调整照相机系统的视场，而不需要改变工作距离。一些缩放系统的元件可以定制组成特殊型 号的系统。度量衡和显微应用需要以微米为单位进行放大，这些镜头系统可以同显微镜下的物体对应。缩放镜头保持着高解析度，但是成本高昂。另外一种方案，镜 头隔离器十分经济，并且可以缩短工作距离、减小镜头的可视范围。然而不幸的是，这会带来扭曲同时降低解析度。因此，除非空间调整是在5mm之内或者镜头的 设计就带有隔离器，否则隔离器不是一个推荐的方案。
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。列出景深的镜头方案也应该给出相应的F/#值，如果这个值可以测量的话。
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。
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，无论它距离照相机有多 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。
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。这些镜头经常是马达驱动的，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，同缩放镜头不通，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。
机 器视觉系统的环境因素包括物体反射系数、光线、温度、振动和污染物。物体的反射会导致高光，还可能使特征模糊。镜头外壳和遮光罩中的障板可以降低光散引起 的高光现象。障板为不透明的圆片，为镜头的中心孔径特别设计，可以限制到达传感器的光线。极化或者散射光源同样也可以避免物体反射出现的热点。
光， 尤其是单色光，可以使物体的对比度提高，使镜头图像的质量最大化。在使用黑白照相机的时候，对比度是非常重要的，可以通过加减过程产生。在加法过程中，单 色光源和照相机镜头滤镜同分析物体所在的媒介颜色相匹配，物体周围的区域可以反射并且传输光线，所以显得比物体更加明亮。这项技术在凝胶和彩色液体用作背 光式触摸屏或者微粒检测的应用很有价值。
相反，在减法系统中，滤镜屏蔽了物体周边的反射光，这使得物体看起来比周边明亮。像药丸检测这样的应用，物体的颜色可能是它仅有的特征，这时候就要使用滤镜。
高温环境下，可能因为镜头里光学元件的热膨胀出现问题。并不是所有的镜头都可以适应温度变化，在检测热物体时，最好使用工作距离比较长的镜头。
另 外一个要考虑的因素是振动。通常需要将镜头装载到和照相机隔离的平台和桌面上，来减少振动。重型的照相机镜头总是带有卡具，如果镜头不能直接装在案板或者 类似的隔离桌面上，那么就把装载镜头的物体放在独立平台上吧。固定在独立平台上的机械手就经常用来装载照相机和镜头。
工业换件下的污染物会腐蚀镜头表面。极端环境光学（HEO）产品进行了专门设计，即便是长期暴露在严酷环境下，也可以提供高质量的图像。因为它的光学元件是严格密封的，HEO产品可以在水下使用，能够抗腐蚀、防尘，并且不受机械影响。
照 相机镜头对于机器视觉系统有着深远的影响。为了实际应用选择合适的镜头，机器视觉集成商必须对物体的尺寸、特征和反射率都要进行分析。他/她还必须要估计 工作距离范围以及物体厚度所需要的景深。当改变物体和图像间隔的时候，集成商可以使用更加灵活的系统，也可以降低性能。所有的环境都是在不断变化的，还要 符合一定的要求，所以选择一款合适的镜头非常重要。
对于装配线和大量检测操作中使用的机器人系统，比如汽车生产和检测线，传送带通常是参考。这里，机器人执行两项任务：识别和传送。
在绝大多数机器视觉应用里，光学控制都是非常重要的。机器人视觉系统同样要求极高的可重复性，因此减少抖动提供清晰图像是必要的。
在 类似药品工厂这样的大规模单位检测线上，视觉系统必须能够辨识缺陷包、不可读标签和产品缺失。视觉系统必须能够以极高的准确度快速识别和测量方形、圆形和 椭圆形物体。提高机器视觉系统的精确度，可以帮助保持统一的包装表面和颜色。对于食品检测系统，产品的尺寸、颜色、密度和形状都需要依靠多元检测才确定。 多元机器视觉系统既可以是彩色相机也可以是黑白相机，通常使用结构照明方法建立产品外表和内在结构。
尽管照相机、分析软件和照明对于机器视觉系统都是十分重要的，可能最关键的元件还是成像镜头。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。
物体特性
在 为机器视觉系统选择镜头之前，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 = 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。
SMAG = PMAG x 监视器尺寸/传感器尺寸
物 体的特性也很重要。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。这些刻线法以线耦（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耦或者点距的能力，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。
图形显示了指定线耦频率下可行的相对对比度。扭曲、色差和其他波前畸变都会影响曲线的斜率，使曲线偏离理想状态或者衍射极限的光学表现。镜头方案有时候会以每毫米线耦数量（lp/mm）为单位列出物体解析度，再将这个值除以1000就可以预测出镜头每微米的物体解析度。
在 进行表面剖析的时候，通常不只使用一台照相机和镜头，而了解镜头的内在偏差（aberration）量也是有价值的。偏差是指镜头里的光学误差，可以引起 同一张图片里不同点的图像质量差异。剖析通常包括激光线和其他图像里的光线，这样可以确保测量的准确性。一些软件程序可以消除诸如镜头引起的扭曲之类的误 差，所以在最终图像里只有剖析数据是明显的。
大型格式和区域扫描照相机镜头是控制应用优秀的解决方案，因为它具有高解析度、低扭曲和有限色差。大范围FOV和兼容性，以及大型格式传感器，使这些镜头在Web、LCD、食品和饮料行业的应用具有很高的价值。
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，物体和照相机镜头前端的距 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。很多照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。
像 空间可以使用两种方式进行改变：通过缩放功能或者隔离。缩放镜头可以调整照相机系统的视场，而不需要改变工作距离。一些缩放系统的元件可以定制组成特殊型 号的系统。度量衡和显微应用需要以微米为单位进行放大，这些镜头系统可以同显微镜下的物体对应。缩放镜头保持着高解析度，但是成本高昂。另外一种方案，镜 头隔离器十分经济，并且可以缩短工作距离、减小镜头的可视范围。然而不幸的是，这会带来扭曲同时降低解析度。因此，除非空间调整是在5mm之内或者镜头的 设计就带有隔离器，否则隔离器不是一个推荐的方案。
基本的镜头设计因素可以确定图像特性
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。列出景深的镜头方案也应该给出相应的F/#值，如果这个值可以测量的话。
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。
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，无论它距离照相机有多 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。
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。这些镜头经常是马达驱动的，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，同缩放镜头不通，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。
独立平台可以减少振动
机 器视觉系统的环境因素包括物体反射系数、光线、温度、振动和污染物。物体的反射会导致高光，还可能使特征模糊。镜头外壳和遮光罩中的障板可以降低光散引起 的高光现象。障板为不透明的圆片，为镜头的中心孔径特别设计，可以限制到达传感器的光线。极化或者散射光源同样也可以避免物体反射出现的热点。
光， 尤其是单色光，可以使物体的对比度提高，使镜头图像的质量最大化。在使用黑白照相机的时候，对比度是非常重要的，可以通过加减过程产生。在加法过程中，单 色光源和照相机镜头滤镜同分析物体所在的媒介颜色相匹配，物体周围的区域可以反射并且传输光线，所以显得比物体更加明亮。这项技术在凝胶和彩色液体用作背 光式触摸屏或者微粒检测的应用很有价值。
相反，在减法系统中，滤镜屏蔽了物体周边的反射光，这使得物体看起来比周边明亮。像药丸检测这样的应用，物体的颜色可能是它仅有的特征，这时候就要使用滤镜。
高温环境下，可能因为镜头里光学元件的热膨胀出现问题。并不是所有的镜头都可以适应温度变化，在检测热物体时，最好使用工作距离比较长的镜头。
另 外一个要考虑的因素是振动。通常需要将镜头装载到和照相机隔离的平台和桌面上，来减少振动。重型的照相机镜头总是带有卡具，如果镜头不能直接装在案板或者 类似的隔离桌面上，那么就把装载镜头的物体放在独立平台上吧。固定在独立平台上的机械手就经常用来装载照相机和镜头。
工业换件下的污染物会腐蚀镜头表面。极端环境光学（HEO）产品进行了专门设计，即便是长期暴露在严酷环境下，也可以提供高质量的图像。因为它的光学元件是严格密封的，HEO产品可以在水下使用，能够抗腐蚀、防尘，并且不受机械影响。
照 相机镜头对于机器视觉系统有着深远的影响。为了实际应用选择合适的镜头，机器视觉集成商必须对物体的尺寸、特征和反射率都要进行分析。他/她还必须要估计 工作距离范围以及物体厚度所需要的景深。当改变物体和图像间隔的时候，集成商可以使用更加灵活的系统，也可以降低性能。所有的环境都是在不断变化的，还要 符合一定的要求，所以选择一款合适的镜头非常重要。
