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行业新闻

工业变焦镜头-机器视觉设计者如何选择合适的镜

发布日期:2021-07-05 17:24 浏览次数:
机器视觉设计者如何选择合适的工业变焦镜头
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变焦镜头中选择最合适的产品。
高清工业定焦镜头
 
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。
 
确定镜头焦距
 
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,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)
 
比如一部图像传感器的相机,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。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。
 
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。
 
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。《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(YAMAKO)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,yamako镜头具有0.3至1倍的放大率和90mm的工作距离,在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。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,YAMAKO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。
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