机器视觉镜头的基本参数和选用原则

基本参数

镜头的主要参数有焦距、分辨率、工作距离、景深、视野范围、畸变量等。

分辨率：指在像面处镜头在单位毫米内能够分辨的黑白相间的条纹对数，受镜头结构、材质、加工精度等因素的影响。下图的分辨率为1/2d，其中，d为线宽。分辨率的单位为lp/mm（线对/毫米）。镜头和相机的分辨率影响最终成像的质量。

工作距离：一般指镜头前端到被测物体的距离，小于最小工作距离、大于最大工作距离的系统一般不能清晰成像。

景深：以镜头最佳聚焦时的工作距离为中心，前后存在一个范围，在此范围内镜头都可以清晰成像。景深受焦距和光圈的影响：镜头的焦距越短，景深的范围就越大，光圈越小，景深就越大

视野范围：图像采集设备所能够覆盖的范围，即和靶面上的图像所对应的物平面的尺寸。

焦距：镜头焦距与凸透镜的焦距概念略有不同，因为镜头是多个凸透镜组合而成的。焦距是从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离。根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。

畸变量：因凸透镜的固有特性造成的成像失真，无法完全消除。畸变像差只影响成像的几何形状，而不影响成像的清晰度。

选用原则

在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将成像目标在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。

第一步选择合适的镜头接口

常用的镜头接口类型有C口、CS口、F口等，在选用镜头时要首先确定镜头的接口类型。

第二步确定焦距

焦距是相机最主要的参数之一，一般先考虑焦距是否能够满足需求。根据系统的整体尺寸和工作距离，结合靶面尺寸和待测范围的比值可以计算出镜头的焦距。

第三步确定靶面尺寸

镜头的靶面尺寸要大于相机的靶面尺寸，否则进光量可能会导致图像信息的缺损。

第四步根据项目需求，综合考虑分辨率、畸变、景深等参数，根据光照环境确定光圈。

机器视觉硬件中的光源

光源选用

1.形状自由度高，可以组合成各种形状、尺寸，能够自由调整照射角度，可以根据客户需要定制；

2.可以根据需要制成各种颜色，并可以随时调整亮度；

3.光源散热性好，光亮度稳定，使用寿命长，可连续使用约数万小时；

4.反应快捷，可在极短时间内达到最大亮度；

5.运行成本低，性价比较高。

明场照明与暗场照明

明场照明指光线反射后进入照相机，而暗场照明为光线反射后未进入照相机。通常明场照明用直射光来观察对象物整体(散乱光呈黒色)，对形成高对比度有益，但反光表面会生成镜面反射。暗场照明用散乱光来观察对象物整体(直射光呈白色)，漫射光被反射进入照相机但镜面反射光线被反射离开。

在缺陷检测中，明场照明主要用于散射和吸收光线缺陷类型的检测,在大多数明场照明图像中，背景亮，缺陷暗。暗场照明主要用于光滑工件表面上含有散射光的缺陷类型检测。在大多数暗场照明采集的图像中，背景暗，仅仅缺陷可见。暗场照明常被用于检测表面污垢和表面突起的特征。

背向照明和前向照明

背向照明是将光源置于物体的后面，这种照明方式能够突出不透明物体的阴影或观察透明物体的内部。背向照明能够将被测物的边缘轮廓清晰地勾勒出来，在图像中，被挡物体的部分为黑色，未被遮挡的部分为白色，因此形成黑白分明的图像。前向照明与背向照明相反，灯源置于被测物和相机之间，根据角度的不同又可以分为“低角度”（小于25度）和“高角度”（75度以上）。

辅助光学配件

偏振片：偏振片的作用是限制特定的光波通过，使用偏振片可以消除光反射产生的影响从而突出表面的细节，偏振片一般安装在镜头上或者光源的一侧。

防外乱光滤镜：防外乱光滤镜的作用是消减外界环境光对系统光源的影响，使用光滤镜能够将系统外部的漫射光过滤掉。

漫射板：漫射板的作用是使光变的均匀。漫射板是玻璃的一个表面通过金刚砂打磨成凹凸不平后制作出的一种玻璃，光线通过漫射板折射后向四面八方射出去，这样光线就变的均匀了。

机器视觉系统相机解析

CCD相机参数

（1）分辨率：相机每次采集图像的像素点数，对于数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机则是取决于视频制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480。

空间分辨率指在遥感影像上，能识别的两个相邻物体的最小距离。对于摄像影像，一般用单位长度内包含可分辨的黑白线的对数（单位：线对/毫米）。空间分辨率是评价传感器性能的重要指标。

（2）像素深度：即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字相机一般还会有10Bit、12Bit等

（3）最大帧率/行频：相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数，对于线阵相机为每秒采集的行数。

（4）曝光方式和快门速度：对于线阵相机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字相机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速相机还可以更快。

（5）像元尺寸：像元大小和像元数共同决定了相机靶面的大小。目前数字相机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。

（6）光谱响应特性：是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350-1000nm，一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

工业相机优点

（1）性能稳定，易于安装，其结构紧凑结实，不易损害，在较差的工业环境下，也可以应用。

（2）快门时间非常短，可以抓拍高速运动的物体。

（3）工业相机的帧率比普通相机大很多。工业相机每秒可以拍摄10幅到几百幅图片，而普通相机一般只有2、3幅左右，相差较大。

（4）工业相机可以长时间工作，比如每天工作24小时、连续工作6个月，而普通相机则不行。

（5）工业相机可实现编程控制，可以设置任意时间、任意时间间隔等进行拍摄。

审核编辑：汤梓红