选择工业镜头时应注意的几个因素

石鑫华视觉

　　在机器视觉系统中工业相机、图像处理软件和机器视觉光源固然很重要，但是工业镜头的作用亦不可或缺。系统若想完全发挥其功能，工业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。早期我们也介绍过环境因素对镜头选择的影响，那么今天机器视觉商城http://visionbbs.com就围绕其他三个因素来具体说明。

光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件，直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和效果。另外选择合适的工业镜头，降低机器视觉系统成本，是产业兴旺发达的唯一出路，而对于机器视觉是否能发挥应有的作用也是非常重要的。

　　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，物体和工业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。

　　景深

　　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。

　　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。

　　需要注意的是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，无论它距离工业相机有多远。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。

　　工业镜头对于机器视觉系统有着深远的影响，而根据实际应用来选择符合系统要求的镜头，才能确保系统的稳定性，最终发挥其优势之所在。
  
　　物体特性

在为机器视觉系统选择工业镜头之前，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又叫光学放大倍数，是由像大小比物大小所以得，即：

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。而工业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。系统放大率又叫物理放大倍数，定义为：

SMAG=PMAG×显示器尺寸/传感器尺寸

　　物体的特性也很重要。工业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。这些刻线法以线对（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对或者点距的能力，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。