机器视觉工业缺陷检测的那些事（三、镜头）
目錄
機器視覺工業缺陷檢測的那些事（三）
3、鏡頭的選擇
（1）鏡頭的接口
C接口和CS接口的區別：
（2）工業鏡頭的基本參
<1> 視場（Field of view，即FOV，也叫視野范圍）
<2> 工作距離（Working Distance,即WD）
<3> 分辨率
<4> 景深（Depth of view，即DOF）
<5> 焦距（f）
<6> 光圈與F值
<8> 感光芯片尺寸
<9> 光學放大倍數
（3）鏡頭的分類
按光學放大倍率及焦距劃分：
a、顯微鏡：?體視顯微鏡、生物顯微鏡、金相顯微鏡、測量顯微鏡
b、常規鏡頭：
c、特殊鏡頭：
按其它性能劃分：
固定焦距鏡頭；
變焦鏡頭：
不同接口方式的鏡頭：
各種鏡頭常用配件：
遠心鏡頭特性
遠心鏡頭與普通鏡頭對比
工業鏡頭的選擇要點：
典型的選型案例：
案例一：
案例二：
常用的工業鏡頭品牌：
快門速度計算：
4. 圖像采集卡
圖像采集卡的主要功能：
模擬量圖像采集卡：
數字量圖像采集卡：
5.視覺處理器
【耐心和恒心總會得到報酬的。】?
機器視覺工業缺陷檢測的那些事（三）
3、鏡頭的選擇
工業相機鏡頭由多個透鏡、可變(亮度)光圈和對焦環組成。如下圖所示，在使用時由操作者觀察相機顯示屏來調整可變光圈和焦點，以確保圖像的明亮程度及清晰度(有些鏡頭有固定調節系統)。
（1）鏡頭的接口
鏡頭的接口尺寸是有國際標準的，共有三種接口型式，即F型、C型、CS型，其他有M42、萊卡、哈蘇、AK。F型接口是通用型接口，一般適用于焦距大于25mm的鏡頭；而當物鏡的焦距約小于25mm時，因物鏡的尺寸不大，便采用C型或CS型接口。
C接口和CS接口的區別：
①C與CS接口的區別在于鏡頭與攝像機接觸面至鏡頭焦平面（攝像機 CCD光電感應器應處的位置）的距離不同，C型接口此距離為17.526mm，CS型接口此距離為12.5mm。
②?C型鏡頭與C型攝像機，CS型鏡頭與CS型攝像機可以配合使用。C型鏡頭與CS型攝像機之間增加一個 5mm的C/CS轉接環可以配合使用。CS型鏡頭與C型攝像機無法配合使用。
（2）工業鏡頭的基本參
鏡頭選擇應注意：①焦距? ②目標高度 ③影像高度? ④放大倍數? ⑤影像至目標的距離? ⑥中心點/節點? ⑦畸變。
<1> 視場（Field of view，即FOV，也叫視野范圍）
? ? ? ? ?視場（Field of view，即FOV，也叫視野范圍）：指觀測物體的可視范圍，也就是充滿相機采集芯片的物體部分。（視場范圍是選型中必須要了解的）
????Y=f*tanθ，Y：像的大小，f：焦距，θ：半畫角
????θ=2tan-1*y/2f
????例：1/2寸攝像機配12.5mm鏡頭時畫面橫向的視場面是：
????θ=2tan-1*6.4/2*12.5=28.72
<2> 工作距離（Working Distance,即WD）
? ? ? ?工作距離（Working Distance,即WD）：指從鏡頭前部到受檢驗物體的距離。即清晰成像的表面距離（選型必須要了解的問題，工作距離是否可調？包括是否有安裝空間等）。
<3> 分辨率
? ? ? ? 分辨率：圖像系統可以測到的受檢驗物體上的最小可分辨特征尺寸。在多數情況下，視野越小，分辨率越好。（在實際選擇鏡頭時，鏡頭尺寸不能小于相機芯片尺寸，一定要要大于或等于相機芯片尺寸）
影響分辨率的主要因素：鏡頭結構、材質、加工精度等。
其它因素：
鏡頭光圈越大，分辨率越高；
光波長度，波長越短分辨率越高；
同檔次的固定焦距鏡頭比變焦鏡頭分辨率高；
短焦鏡頭一般邊緣分辨率比中心低；長焦鏡頭一般中心比邊緣分辨率低。
<4> 景深（Depth of view，即DOF）
景深（Depth of view，即DOF）：物體離最佳焦點較近或較遠時，鏡頭保持所需分辨率的能力（需要了解客戶對景深是否有特殊要求？）
景深和鏡頭的焦距、光圈、物距有關：
光圈越小，景深越大；
拍攝距離越大，景深越大；
焦距越短，景深越大。
<5> 焦距（f）
焦距（f）：是光學系統中衡量光的聚集或發散的度量方式，指從透鏡的光心到光聚集之焦點的距離。亦是照相機中，從鏡片中心到底片或CCD等成像平面的距離。（需要記住的重要公式）
????f =?{工作距離/視野范圍長邊（或短邊）}*CCD長邊（或短）
焦距大小的影響情況：
焦距越小，景深越大；焦距越小，畸變越大；焦距越小，漸暈現象越嚴重，使像差邊緣的照度降低。
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像差是影響圖像質量的重要方面，常見的像差有如下六種：球差、慧差、像散、場曲、畸變、色差。
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<6> 光圈與F值
光圈是一個用來控制鏡頭通光量裝置，它通常是在鏡頭內。表達光圈大小我們是用F值，如f1.4，f2，f2.8。
<8> 感光芯片尺寸
相機感光芯片的有效區域尺寸，一般指水平尺寸。這個參數對于決定合適的鏡頭縮放比例以獲取想要的視場非常重要。鏡頭主要縮放比例 (PMAG) 由感光芯片的尺寸和視場的比率來定義。雖然基本參數包括感光芯片的尺寸和視場，但PMAG卻不屬于基本參數。
<9> 光學放大倍數
用于計算主要縮放比例的公式如下：
?????PMAG?? =? CCD Size / ?FOV
顯示放大倍數：
顯示放大倍率在顯微中應用非常廣泛，被測物體的顯示放大倍率取決于三個因素：鏡頭光學倍率、工業相機感光芯片的尺寸（靶面大小）、顯示器尺寸。
顯示放大倍率=鏡頭光學倍率×顯示器尺寸×25.4/耙面對角線尺寸。
工業鏡頭各參數間相互影響關系：
光圈大小的影響情況：
光圈越大，圖像亮度越高；景深越小；分辨率越高；
像場中央與邊緣：
一般像場中心較邊緣分辨率高；像場中心較邊緣光場照度高。
光波長度的影響：
在相同的工業相機及鏡頭參數條件下，照明光源的光波波長越短，得到的圖像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置測量的視覺系統中，盡量采用短波長的單色光作為照明光源，對提高系統精度有很大的作用。
（3）鏡頭的分類
為了適應不同的應用場合，鏡頭有多種類型，從不同的角度，就有不同的劃分方法：
按光學放大倍率及焦距劃分：
a、顯微鏡：?體視顯微鏡、生物顯微鏡、金相顯微鏡、測量顯微鏡
b、常規鏡頭：
c、特殊鏡頭：
按其它性能劃分：
固定焦距鏡頭；
變焦鏡頭：
不同接口方式的鏡頭：
各種鏡頭常用配件：
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遠心鏡頭特性
? ? ? 遠心鏡頭（Telecentric lens），主要是為糾正傳統鏡頭的視差而特殊設計的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內，使得到的圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應用。此外，遠心鏡頭(Telecentric lens)相比普通鏡頭，還具有低畸變，高景深，高分辨力等特性 。遠心鏡頭由于其特有的平行光路設計一直為對鏡頭畸變要求很高的機器視覺應用場合所青睞，廣泛應用于半導體、機械零部件，科研、激光測徑，印鈔等相關行業，主要完成精密測量、定位等工作任務。
? ?1.遠心特性 ?非遠心鏡頭下圖光學系統無法確保視場內一致的放大率，于是總會造成測量精度的下降。
? ?2.低畸變特性 ?大多數精確測量的場合需要對微小畸變進行標定，優秀的遠心鏡頭廠家采集精確的灰度圖像并進行精確分析以測量畸變，使得遠心鏡頭的畸變如此微小，更真實的還原圖像。
? ?3.高景深范圍和高解析度過小的景深會引起對比度的下降，結果會降低分辨力。遠心鏡頭具有高的景深范圍和解析度，滿足各種不同的測試要求。
遠心鏡頭與普通鏡頭對比
? ? ?遠心工業鏡頭主要是為糾正傳統工業鏡頭的視差而特殊設計的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內，使得到的圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應用。
? ? ?普通工業鏡頭目標物體越靠近鏡頭（工作距離越短），所成的像就越大。在使用普通鏡頭進行尺寸測量時，會存在如下問題：
? ?1）由于被測量物體不在同一個測量平面，而造成放大倍率的不同；
? ?2）鏡頭畸變大
? ?3）視差也就是當物距變大時，對物體的放大倍數也改變；
? ?4）鏡頭的解析度不高；
? ?5）由于視覺光源的幾何特性，而造成的圖像邊緣位置的不確定性。
? ? ?而遠心鏡頭就可以有效解決普通鏡頭存在的上述問題，而且沒有此性質的判斷誤差，因此可用在高精度測量、度量計量等方面。遠心鏡頭是一種高端的工業鏡頭，通常有比較出眾的像質，特別適合于尺寸測量的應用。
? ? ?無論何處，在特定的工作距離，重新調焦后會有相同的放大倍率，因為遠心鏡頭的最大視場范圍直接與鏡頭的光欄接近程度有關，鏡頭尺寸越大，需要的現場就越大。遠心測量鏡頭能提供優越的影像質素，畸變比傳統定焦鏡頭小，這種光學設計令影像面更對稱，可配合軟件進行精密測量。
? ?普通鏡頭優點：成本低，實用，用途廣。
? ?普通鏡頭缺點：放大倍率會有變化，有視差。
? ?普通鏡頭應用：大物體成像。
? ?遠心鏡頭的優點：放大倍數恒定，不隨景深變化而變化，無視差。
? ?遠心鏡頭的缺點：成本高，尺寸大，重量重。
? ?遠心鏡頭的應用：度量衡方面，基于CCD方面的測量，微晶學
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工業鏡頭的選擇要點：
對鏡頭的選擇，我們首先必須先確定客戶需求：
1、視野范圍、光學放大倍數及期望的工作距離：在選擇鏡頭時，我們會選擇比被測物體視野稍大一點的鏡頭，以有利于運動控制。
2、景深要求：對于對景深有要求的項目，盡可能使用小的光圈；在選擇放大倍率的鏡頭時，在項目許可下盡可能選用低倍率鏡頭。如果項目要求比較苛刻時，傾向選擇高景深的尖端鏡頭。
3、芯片大小和相機接口：例如2/3’’鏡頭支持最大的工業相機耙面為2/3’’，它是不能支持1英寸以上的工業相機。
4、注意與光源的配合，選配合適的鏡頭 。
5、可安裝空間：在方案可選擇情況下，讓客戶更改設備尺寸是不現實的。
典型的選型案例：
案例一：
案例二：
常用的工業鏡頭品牌：
快門速度計算：
假設速度是 0.5m/s, sensor 為 640*480 的分辨率，視場為4.2*3mm，
則有：4.2mm/640=0.00656mm ，3mm/480=0.00625mm，取最小的像素當量，此時的當量為一個像素=0.000625mm。
當物體在快門時間內的運動大于 1.5 個像素時可以認為會出現拖影，因此要不出現拖影則：
t(快門)小于或者等于 0.00625mm*1.5/0.5m/s=0.00001875s。
t=像素當量 x1.5（指定的常數）/運動速度。
像元尺寸=CCD 長/水平方向分辨率（或者 CCD 寬/垂直方向分辨率）。
一般長的方向對著視野長的方向，寬的方向對視野短的方向。
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4. 圖像采集卡
圖像采集卡只是完整的機器視覺系統的一個部件，但是它扮演一個非常重要的角色。圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數字等等。
比較典型的是PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計算機存儲器進行處理。有些采集卡有內置的多路開關。例如，可以連接8個不同的攝像機，然后告訴采集卡采用那一個相機抓拍到的信息。有些采集卡有內置的數字輸入以觸發采集卡進行捕捉，當采集卡抓拍圖像時數字輸出口就觸發閘門。
圖像采集卡的主要功能：
模擬量圖像采集卡：
數字量圖像采集卡：
5.視覺處理器
視覺處理器集采集卡與處理器于一體。以往計算機速度較慢時，采用視覺處理器加快視覺處理任務。現在由于采集卡可以快速傳輸圖像到存儲器，而且計算機也快多了，所以現在視覺處理器用的較少了。
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【若有轉載，須注明出處！！！】
【耐心和恒心總會得到報酬的。】?
總結
以上是生活随笔為你收集整理的机器视觉工业缺陷检测的那些事（三、镜头）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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