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机器视觉设计者如何选择合适的镜头?

2018-06-19 15:42 性质:转载 作者:Andrew Wilson 来源:Andrew Wilson
为了实现具有成本效益的机器视觉系统,开发人员必须从众多可用的镜头中选择最合适的产品。对于机器视觉系统设计者来说,由于市场上存在诸多不同类型、不同分辨率和不同图像失真特性的镜...

为了实现具有成本效益的机器视觉系统,开发人员必须从众多可用的镜头中选择最合适的产品。


对于机器视觉系统设计者来说,由于市场上存在诸多不同类型、不同分辨率和不同图像失真特性的镜头产品可供选择,因此针对某一特定应用,在选择镜头时进行性价比权衡,变得更加复杂。


定焦镜头由于成本低廉,仍然是许多机器视觉系统的中流砥柱;同时市场上也存在着其他诸多镜头选择,包括变焦距、缩放、远心、360°光学和液体等镜头产品,每种镜头都在满足特定应用方面具有自身的独特优势。


确定焦距

在选择任何特定的镜头之前,必须确定其焦距。焦距的选择取决于成像缺陷所要求的分辨率、被成像物体的大小以及物体与相机的距离。这里所说的焦距,是指镜头的光心和相机的图像传感器之间的距离。


通过改变镜头的焦距,可以获得不同大小的视场(FOV)。选择镜头的正确焦距,取决于物体距相机/镜头系统的工作距离、所要求的视场和图像传感器的尺寸,镜头的焦距可由以下公式确定:

焦距=放大倍数×工作距离/(1+放大倍数)

其中,放大倍数= 传感器尺寸/FOV。

因此,对于相同的工作距离,传感器尺寸越大,产生的视场也越大。例如,荷兰Adimec公司的Opal-2000相机的传感器尺寸为2/3英寸,对于50mm(水平)的FOV和200mm的工作距离,估算镜头的焦距为29.93mm。


在选择镜头时,镜头的分辨率必须要与相机图像传感器的特性相匹配。因此,系统开发人员必须要在相机和镜头之间进行仔细地匹配。


要做到这一点,必须要了解相机中使用的图像传感器的特性。相机的分辨率取决于图像传感器的像素尺寸,其可以按照线对/mm(lp/mm)的方式计算如下:

1000(lp/mm)/2×像素尺寸(μm)


因此,基于CMOSIS公司(现为AMS Sensors)CMV20000图像传感器的相机,像素尺寸为6.4μm×6.4μm,图像传感器的最大分辨率为78.125 lp/mm。


为给该相机配备一款镜头,开发者需要研究不同镜头的调制传递函数(MTF)。MTF可以衡量镜头“以特定分辨率将对比度从物体传输到图像的”能力。在Edmund Optics公司网站上(www.edmundoptics.com)发布的一个例子中,Sony公司的ICX625传感器大小为2/3英寸,像素尺寸为3.45μm,最大分辨率为145lp/mm,配备焦距12mm的镜头(见图1)。在这里,理论上可能获得的最大对比度接近70%(在150 lp/mm时),尚没有镜头设计可以达到更高的水平。因此,将高性能的百万像素级相机与分辨率差的镜头相匹配、或是为低端相机配备高性能镜头,都会导致最终获得低对比度的图像。


图1:索尼的2/3英寸IXC625传感器,像素尺寸为3.45μm,最大分辨率为145lp/mm,配备焦距12mm的镜头,理论上可获得的最大对比度为70%(在150 lp/mm时)。


定焦or变焦?

定焦镜头因为使用更少的光学元件、具有低光学失真和相对便宜等优点,在机器视觉系统中被广泛使用。然而,在某些应用中,可能需要改变视场,特别是系统设计可能会随时间而改变的情况,或是系统集成商需要为某一应用确定合适的焦距的情况。在这种情况下,可以选择变焦距镜头。不同于缩放镜头(zoom)在焦距改变时保持焦点位置不变,变焦距镜头需要重新对焦,同时允许对不同的视场进行成像。


CBC/Computar公司的Pete Kepf在他的白皮书《选择机器视觉镜头的七大重要因素Seven Important Factors When Selecting a Machine Vision Lens》中指出,对于给定的工作距离,变焦镜头通过调节改变放大率和视场,并且通常会调节镜头的光圈、焦距和焦点。与定焦镜头不同,变焦镜头会指定焦距范围,如3.5~8mm或6.5~52mm,这意味着镜头的焦距可以在这些范围内调节。


相比于定焦镜头,变焦镜头更为昂贵,因为它们需要来回滑动的中间组件或后部组件、以及一个单独的前部单元焦点调节机构。加拿大相机供应商Lumenera公司在《为视觉系统选择镜头Selecting a Lens for a Vision System》一文中指出,如果系统中使用的相机事先已经选定,那么明智的做法是:考虑购买便宜(低质量)的变焦镜头来确定合适的焦距。


与需要重新聚焦的变焦镜头不同,缩放镜头或齐焦镜头(parfocal)在焦距改变时保持焦点位置不变。虽然许多公司使用缩放镜头这一术语来描述他们的产品,但其中许多产品实际上是需要手动再聚焦的变焦镜头。


例如,Moritex公司的MLH-3XMP镜头具有0.3至1倍的放大率和90mm的工作距离,在其公司网站上被列为缩放镜头。然而,它实际上是一个变焦镜头,因为它具有一个可变的焦点设置机制。Navitar公司的Zoom 7000镜头被命名为缩放镜头,它是一款近聚焦手动缩放镜头,用于对直径超过1英寸的物体进行成像,在其缩放范围内是齐焦的,因此所捕获的图像在缩放范围内保持在焦平面上,并不需要手动重新聚焦。


放大

尽管缩放镜头在机器视觉应用中并不常见,但这类镜头常常被用于显微成像等应用中,以提供手动或电机控制的图像放大。通过使用这种缩放镜头,操作人员无需更换镜头就能在需要的放大率下检查零件;或者不需要在一个镜头盘上安装多种类型的镜头(这样能在不装卸镜头的情况下改变放大率)。使用缩放镜头,可以实现检测系统的自动化,从而系统可以被编程,进而无需更换镜头或旋转镜头盘,就能在低放大率下观察整个场景、并放大特定细节。


这种缩放镜头既可以手动调节,也可以通过计算机控制自动调节。例如,Excelitas Technologies公司的Fetura镜头,就在设计中使用两个直流电机沿一条直线轴驱动变倍镜头和补偿镜头。当变倍镜头改变图像的放大倍数时,补偿镜头补偿图像的位移,以使被观察的物体位于焦平面上。


由于这种镜头通过移动镜头元件来改变其焦距,因此那些要求机械性能稳定、准确和可重复测量的开发者,过去一直对这种镜头不予青睐。Excelitas Technologies公司自2008年推出这类镜头以来,目前已经在其Fetura+产品中改进了系统设计,在缩放方面进行了无限校正,在视场边缘附近增加了改善的聚焦重复性和改善的光学性能,并能与该公司的Optem Fusion镜头系统配件相兼容。


远心设计

对于传统镜头,物体距离相机越近,图像看起来越大;物体距离相机越远,图像看起来越小。这在高精度测量应用中是一个不利因素,因为图像处理软件将根据所捕获的图像来测量零件的参数。为了克服这个问题,系统开发人员可以使用远心镜头,以便获得大小相同的物体图像,图像大小与物体在空间中的位置无关。


一个物体能够在多大的范围内移动、并且其成像后仍然看起来大小相同,这个距离称为放大景深。放大景深与图像清晰度景深不同,后者是我们通常所理解的景深。


相比于传统镜头,远心镜头通常体积较大且比较昂贵,因为它需要较多的镜头元件,并且镜头需要与被成像的物体一样大。目前市场上有三种类型的远心镜头——物方远心镜头、像方远心镜头和双远心镜头。


虽然许多制造商都提供这三种类型的远心镜头,但是像方远心镜头更常用于图像投影设备中,在机器视觉领域的应用较为少见。例如在光刻系统中,投影镜头是典型的像方远心镜头,用于将光刻掩模成像到硅晶片上。这种像方远心镜头的优点是,它们能在视场范围内提供均匀的光透射。


在机器视觉系统中,最常用的远心镜头是物方远心镜头和双远心透镜。物方远心镜头比双远心镜头需要更少的镜头元件,因此也更加便宜。


物方远心透镜在物体侧是远心的;而双远心镜头在物体侧和成像侧都是远心的,即使在相机内的成像器不能保证总是处于光路中的精确位置的情况下,双远心镜头也能提供恒定的放大率。这种双远心镜头经常与准直背光照明器一起使用,以保证高对比度图像,从而实现精确的图像测量。


Thorlabs公司的远心镜头均采用双远心设计。图2中显示了两个螺钉的图像,左图是使用该公司的MVL7000传统镜头成像的,可以看出这幅图像将导致不正确的高度测量;右图是使用该公司的MVTC23013 0.128x双远心镜头成像的,从图像上看两个螺钉大小相同,并且处在同一平面上,但实际上它们沿光轴被分开45mm。可以看出,使用双远心镜头能实现更精确的图像测量。


图2:左图为使用传统镜头成像,这幅图像将导致不正确的高度测量;右图是使用双远心镜头成像的,图像大小相同,能实现精确测量。


降低相机成本

对于饮料、制药和化妆品检测等应用,必须在零件沿传送带高速移动时对其进行高速检测。要做到这一点,必须建立一套能对物体的侧面、顶部甚至容器内部成像的系统,以探测缺陷。当然,完成这项任务也有许多不同的方法。


使用多台相机成像物体的顶部和侧面,可以完成这个任务。在这里,可以使用多台相机、安装支架和软件校准程序。或者,物体可以围绕单台线阵相机或面阵相机的视场旋转,以捕获物体的360°全方位图像。这种方法需要更加复杂的机械工程,因为在完成合格/不合格判定之前,物体必须执行停止、旋转和检测等工序。


为了克服这个问题,可以使用pericentric或catadioptric镜头。不同于传统镜头或远心镜头,pericentric镜头被设计成使得光线朝着被成像的物体会聚。在机器视觉系统中使用这样的镜头,以便能同时观察物体的顶部和侧面,从而减少了所需的相机和镜头的数量,同时也消除了多相机校准的复杂性。


Opto Engineering公司总经理Luca Palleschi在他的主题演讲《用单镜头系统实现物体的全景检测Panoramic inspection of objects with single lens systems》中,介绍了这种单镜头系统是如何对圆柱容器进行成像的。正如Palleschi所介绍的,这种镜头的尺寸可以很大,为了减小镜头的尺寸和重量,可以使用“透镜和曲面镜组合”的catadioptric镜头,来获得相同的效果(见图3)。


图3:由于pericentric镜头的尺寸可能较大,因此可以使用Opto Engineering公司的PCCD系列等catadioptric镜头同时对产品的顶部和侧面进行成像,从而减小这种镜头的尺寸和重量。


电动调焦

虽然传统镜头可以用来对距离相机不同距离的物体成像,但是如果高度不同的物体出现在成像系统中,镜头将需要重新聚焦。虽然可以在自动化生产线上进行手动调焦,但这需要针对不同的焦距重新设置相机。手动调节一方面会需要调节时间,导致停机时间增加;另一方面,若相机和镜头安装在设备上难以达到的区域,那么手动调节工作也会非常困难。


然而,使用电动聚焦可调镜头,这项任务可以在几毫秒内自动完成(见图4)。Edmund Optics公司的成像工程师Nick Sischka在他的视频演讲《理解液体镜头技术Understanding liquid lens technology》中,介绍了如何使用Optotune公司的焦点可调镜头克服了传统镜头的景深限制。


图4:虽然传统镜头可以对距相机不同距离的物体进行成像,但当不同高度的物体出现在成像系统中时,镜头需要重新聚焦。使用电动焦距可调镜头,可以在几毫秒内自动完成这项任务。


尽管目前可用的镜头能够满足许多机器视觉应用的需求,但是更专业的机器视觉系统可能需要定制的镜头和涂层。幸运的是,许多具有内部生产能力的镜头制造商,已经准备好定制镜头来满足这些应用需求。当然,这些定制镜头会比较昂贵,因此它们通常仅用于那些对成本不敏感的特定成像系统中(例如军事应用),或是大批量消费产品的生产线中。

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