鏡頭選擇與光學(xué)原理及設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)選擇要素分析

如果把工業(yè)相機(jī)比喻為人的眼睛，工業(yè)鏡頭就好比是眼球，它直接關(guān)系到監(jiān)看物體的遠(yuǎn)近、范圍和效果。工業(yè)鏡頭的選用應(yīng)考慮一下幾點(diǎn)：

1）工業(yè)鏡頭尺寸應(yīng)等于或大于工業(yè)相機(jī)成像面尺寸。例如：1/3″工業(yè)相機(jī)可選1/3″～1″整個(gè)范圍內(nèi)的工業(yè)鏡頭，但水平視角的大小都是一樣的。只是使用大于1/3″的工業(yè)鏡頭能夠更多地利用成形，更精確了工業(yè)鏡頭中心光路，所以可提高圖像質(zhì)量和分辨率。
 

2）選用合適的工業(yè)鏡頭焦距。焦距越大，監(jiān)看距離越遠(yuǎn)，水平視角越小，監(jiān)視范圍越窄；焦距越小，監(jiān)看距離越近，水平視角越大，監(jiān)視范圍越寬。工業(yè)鏡頭焦距可按照以下公式估算。

f=A&TImes;L/H
　　(f--鏡頭焦距；A--攝像機(jī)CCD垂向尺寸；L--被攝物體到鏡頭距離；H--被攝物體高度)

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）考慮環(huán)境光線的變化,光線對(duì)圖像的采集效果起著十分重要的作用。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于光線變化不明顯的環(huán)境，常選用手動(dòng)光圈鏡頭，將光圈手調(diào)到一個(gè)比較理想的數(shù)值后就可不動(dòng)了；如果光線變化較大，如室外24小時(shí)監(jiān)看，應(yīng)選用自動(dòng)光圈，能夠根據(jù)光線的明暗變化自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈值的大小，保證圖像質(zhì)量。但需注意的是，如果光線照度不均勻，特別是監(jiān)視目標(biāo)與背景光反差較大時(shí)，采用自動(dòng)光圈鏡頭效果不理想。

4）考慮最佳監(jiān)看范圍。因?yàn)楣I(yè)鏡頭焦距和水平視角成反比，因此既想看得遠(yuǎn)，又想看得寬闊和清晰，這是無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)焦距的鏡頭都只能在一定范圍內(nèi)達(dá)到最佳的監(jiān)看效果，所以如果監(jiān)看的距離較遠(yuǎn)且范圍較大，最好是增加攝像機(jī)的數(shù)量，或采用電動(dòng)變焦鏡頭配合云臺(tái)安裝。

5）工業(yè)鏡頭接口與工業(yè)相機(jī)接口要一致?，F(xiàn)在的工業(yè)相機(jī)和工業(yè)鏡頭通常都是CS型接口，CS型攝像機(jī)可以和CS型、C型鏡頭配接，但和C型鏡頭接配時(shí)，必須在工業(yè)鏡頭和工業(yè)相機(jī)之間加接配環(huán)，否則可能碰壞CCD成像面的保護(hù)玻璃，造成CCD工業(yè)相機(jī)的損壞。C型工業(yè)相機(jī)不能和CS型工業(yè)鏡頭配接。

近年來(lái)利用影像量測(cè)物品尺寸已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。由于相機(jī)，影像軟件及照明組件等設(shè)備的進(jìn)步，讓影像量測(cè)物品尺寸的精準(zhǔn)度能媲美或更勝于手動(dòng)或雷射光的量測(cè)。

整合光學(xué)系統(tǒng)工程的應(yīng)用，我們可發(fā)現(xiàn)光學(xué)產(chǎn)品的優(yōu)劣決定了系統(tǒng)的品質(zhì)，而遠(yuǎn)心鏡頭能執(zhí)行各種形式的光學(xué)量測(cè)。

軟件工程需要具高分辨率、高對(duì)比性和低幾何變形特性的拍攝影像來(lái)判斷出精準(zhǔn)的量測(cè)數(shù)據(jù)。

除了光學(xué)設(shè)備本身的要求，視角的選擇也具相當(dāng)?shù)闹匾?，在不適當(dāng)?shù)挠^測(cè)點(diǎn)下量測(cè)物體，會(huì)造成物體拍攝影像的扭曲。

除了影像處理過(guò)程中會(huì)造成的干擾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者也同時(shí)將光學(xué)配備本身會(huì)影響光學(xué)量測(cè)精準(zhǔn)性的幾個(gè)限制納入考慮：

1．由于物體擺放位置而造成的不正常放大

2．影像的變形

3．視角選擇而造成的誤差

4．低影像分辨率

5．不適當(dāng)光源干擾下造成邊界的不確定性

遠(yuǎn)心鏡頭能有效降低甚至消除以上的問(wèn)題，因此遠(yuǎn)心鏡頭也成為精密光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)決定性的因素。

圖一：不同鏡頭的光學(xué)原理

接下來(lái)我們簡(jiǎn)要的介紹遠(yuǎn)心鏡頭是如何有效降低噪聲及變形等問(wèn)題。

光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)通常會(huì)自物體正上方拍攝(不紀(jì)錄物體側(cè)面)以測(cè)量其直徑或直線距離。由于許多機(jī)械零組件無(wú)法精準(zhǔn)定位或具有高度差或厚度等問(wèn)題，工程師需要可靠光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)來(lái)判定影像與物體的實(shí)際間距。

左上圖為利用遠(yuǎn)心鏡頭拍攝圓柱形零件上的齒條；左下圖為利用普通鏡頭拍攝同樣對(duì)象的影像；右上圖為兩個(gè)同樣對(duì)象置于相距100 mm下利用遠(yuǎn)心鏡頭拍的影像；右下圖為同樣情形下利用普通鏡頭捕捉的影像。