镜头选择与光学原理及设计工业机器视觉系统选择要素分析

如果把工业相机比喻为人的眼睛，工业镜头就好比是眼球，它直接关系到监看物体的远近、范围和效果。工业镜头的选用应考虑一下几点：

1）工业镜头尺寸应等于或大于工业相机成像面尺寸。例如：1/3″工业相机可选1/3″～1″整个范围内的工业镜头，但水平视角的大小都是一样的。只是使用大于1/3″的工业镜头能够更多地利用成形，更精确了工业镜头中心光路，所以可提高图像质量和分辨率。
 

2）选用合适的工业镜头焦距。焦距越大，监看距离越远，水平视角越小，监视范围越窄；焦距越小，监看距离越近，水平视角越大，监视范围越宽。工业镜头焦距可按照以下公式估算。

f=A×L/H
　　(f--镜头焦距；A--摄像机CCD垂向尺寸；L--被摄物体到镜头距离；H--被摄物体高度)

格式 1英寸  2/3英寸 1/2英寸 1/3英寸 1/4英寸 
CCD垂向尺寸  9.6㎜  6.6㎜ 4.8㎜  3.6㎜ 2.7㎜

3）考虑环境光线的变化,光线对图像的采集效果起着十分重要的作用。一般来说，对于光线变化不明显的环境，常选用手动光圈镜头，将光圈手调到一个比较理想的数值后就可不动了；如果光线变化较大，如室外24小时监看，应选用自动光圈，能够根据光线的明暗变化自动调节光圈值的大小，保证图像质量。但需注意的是，如果光线照度不均匀，特别是监视目标与背景光反差较大时，采用自动光圈镜头效果不理想。

4）考虑最佳监看范围。因为工业镜头焦距和水平视角成反比，因此既想看得远，又想看得宽阔和清晰，这是无法同时实现的。每个焦距的镜头都只能在一定范围内达到最佳的监看效果，所以如果监看的距离较远且范围较大，最好是增加摄像机的数量，或采用电动变焦镜头配合云台安装。

5）工业镜头接口与工业相机接口要一致。现在的工业相机和工业镜头通常都是CS型接口，CS型摄像机可以和CS型、C型镜头配接，但和C型镜头接配时，必须在工业镜头和工业相机之间加接配环，否则可能碰坏CCD成像面的保护玻璃，造成CCD工业相机的损坏。C型工业相机不能和CS型工业镜头配接。

近年来利用影像量测物品尺寸已经成为行业发展的趋势。由于相机，影像软件及照明组件等设备的进步，让影像量测物品尺寸的精准度能媲美或更胜于手动或雷射光的量测。

整合光学系统工程的应用，我们可发现光学产品的优劣决定了系统的品质，而远心镜头能执行各种形式的光学量测。

软件工程需要具高分辨率、高对比性和低几何变形特性的拍摄影像来判断出精准的量测数据。

除了光学设备本身的要求，视角的选择也具相当的重要性，在不适当的观测点下量测物体，会造成物体拍摄影像的扭曲。

除了影像处理过程中会造成的干扰，系统设计者也同时将光学配备本身会影响光学量测精准性的几个限制纳入考虑：

1．由于物体摆放位置而造成的不正常放大

2．影像的变形

3．视角选择而造成的误差

4．低影像分辨率

5．不适当光源干扰下造成边界的不确定性

远心镜头能有效降低甚至消除以上的问题，因此远心镜头也成为精密光学量测系统决定性的因素。

图一：不同镜头的光学原理

接下来我们简要的介绍远心镜头是如何有效降低噪声及变形等问题。

一、放大倍率的一致性

光学量测系统通常会自物体正上方拍摄(不纪录物体侧面)以测量其直径或直线距离。由于许多机械零组件无法精准定位或具有高度差或厚度等问题，工程师需要可靠光学量测系统来判定影像与物体的实际间距。

左上图为利用远心镜头拍摄圆柱形零件上的齿条；左下图为利用普通镜头拍摄同样对象的影像；右上图为两个同样对象置于相距100 mm下利用远心镜头拍的影像；右下图为同样情形下利用普通镜头捕捉的影像。