對於工業智慧相機開發者來說,由於市場上存在諸多不同型別、不同解析度和不同影象失真特性的鏡頭產品可供選擇,因此針對某一特定應用,在選擇鏡頭時進行價效比權衡,變得更加複雜。
定焦鏡頭由於成本低廉,仍然是許多機器視覺系統的中流砥柱;同時市場上也存在著其他諸多鏡頭選擇,包括變焦距、縮放、遠心、360°光學和液體等鏡頭產品,每種鏡頭都在滿足特定應用方面具有自身的獨特優勢。
在選擇任何特定的鏡頭之前,必須確定其焦距。焦距的選擇取決於成像缺陷所要求的解析度、被成像物體的大小以及物體與相機的距離。這裡所說的焦距,是指鏡頭的光心和相機的影象感測器之間的距離。
通過改變鏡頭的焦距,可以獲得不同大小的視場(FOV)。選擇鏡頭的正確焦距,取決於物體距相機/鏡頭系統的工作距離、所要求的視場和影象感測器的尺寸,鏡頭的焦距可由以下公式確定:
焦距=放大倍數×工作距離/(1+放大倍數)
其中,放大倍數= 感測器尺寸/FOV。
因此,對於相同的工作距離,感測器尺寸越大,產生的視場也越大。例如,荷蘭Adimec公司的Opal-2000相機的感測器尺寸為2/3英寸,對於50mm(水平)的FOV和200mm的工作距離,估算鏡頭的焦距為29.93mm。
在選擇鏡頭時,鏡頭的解析度必須要與相機影象感測器的特性相匹配。因此,系統開發人員必須要在相機和鏡頭之間進行仔細地匹配。
要做到這一點,必須要了解相機中使用的影象感測器的特性。相機的解析度取決於影象感測器的畫素尺寸,其可以按照線對/mm(lp/mm)的方式計算如下:
1000(lp/mm)/2×畫素尺寸(μm)
因此,基於CMOSIS公司(現為AMS Sensors)CMV20000影象感測器的相機,畫素尺寸為6.4μm×6.4μm,影象感測器的最大解析度為78.125 lp/mm。
為給該相機配備一款鏡頭,開發者需要研究不同鏡頭的調製傳遞函式(MTF)。MTF可以衡量鏡頭“以特定解析度將對比度從物體傳輸到影象的”能力。在Edmund Optics公司網站上釋出的一個例子中,Sony公司的ICX625感測器大小為2/3英寸,畫素尺寸為3.45μm,最大解析度為145lp/mm,配備焦距12mm的鏡頭(見圖1)。在這裡,理論上可能獲得的最大對比度接近70%(在150 lp/mm時),尚沒有鏡頭設計可以達到更高的水平。因此,將高效能的百萬畫素級相機與解析度差的鏡頭相匹配、或是為低端相機配備高效能鏡頭,都會導致最終獲得低對比度的影象。
圖1:索尼的2/3英寸IXC625感測器,畫素尺寸為3.45μm,最大解析度為145lp/mm,配備焦距12mm的鏡頭,理論上可獲得的最大對比度為70%(在150 lp/mm時)。
定焦or變焦?
定焦鏡頭因為使用更少的光學元件、具有低光學失真和相對便宜等優點,在機器視覺系統中被廣泛使用。然而,在某些應用中,可能需要改變視場,特別是系統設計可能會隨時間而改變的情況,或是系統整合商需要為某一應用確定合適的焦距的情況。在這種情況下,可以選擇變焦距鏡頭。不同於縮放鏡頭(zoom)在焦距改變時保持焦點位置不變,變焦距鏡頭需要重新對焦,同時允許對不同的視場進行成像。
CBC/Computar公司的Pete Kepf在他的白皮書《選擇機器視覺鏡頭的七大重要因素Seven Important Factors When Selecting a Machine Vision Lens》中指出,對於給定的工作距離,變焦鏡頭通過調節改變放大率和視場,並且通常會調節鏡頭的光圈、焦距和焦點。與定焦鏡頭不同,變焦鏡頭會指定焦距範圍,如3.5~8mm或6.5~52mm,這意味著鏡頭的焦距可以在這些範圍內調節。
相比於定焦鏡頭,變焦鏡頭更為昂貴,因為它們需要來回滑動的中間元件或後部元件、以及一個單獨的前部單元焦點調節機構。加拿大相機供應商Lumenera公司在《為視覺系統選擇鏡頭Selecting a Lens for a Vision System》一文中指出,如果系統中使用的相機事先已經選定,那麼明智的做法是:考慮購買便宜(低質量)的變焦鏡頭來確定合適的焦距。
與需要重新聚焦的變焦鏡頭不同,縮放鏡頭或齊焦鏡頭(parfocal)在焦距改變時保持焦點位置不變。雖然許多公司使用縮放鏡頭這一術語來描述他們的產品,但其中許多產品實際上是需要手動再聚焦的變焦鏡頭。
例如,Moritex公司的MLH-3XMP鏡頭具有0.3至1倍的放大率和90mm的工作距離,在其公司網站上被列為縮放鏡頭。然而,它實際上是一個變焦鏡頭,因為它具有一個可變的焦點設定機制。Navitar公司的Zoom 7000鏡頭被命名為縮放鏡頭,它是一款近聚焦手動縮放鏡頭,用於對直徑超過1英寸的物體進行成像,在其縮放範圍內是齊焦的,因此所捕獲的影象在縮放範圍內保持在焦平面上,並不需要手動重新聚焦。
放大
儘管縮放鏡頭在機器視覺應用中並不常見,但這類鏡頭常常被用於顯微成像等應用中,以提供手動或電機控制的影象放大。通過使用這種縮放鏡頭,操作人員無需更換鏡頭就能在需要的放大率下檢查零件;或者不需要在一個鏡頭盤上安裝多種型別的鏡頭(這樣能在不裝卸鏡頭的情況下改變放大率)。使用縮放鏡頭,可以實現檢測系統的自動化,從而系統可以被程式設計,進而無需更換鏡頭或旋轉鏡頭盤,就能在低放大率下觀察整個場景、並放大特定細節。
這種縮放鏡頭既可以手動調節,也可以通過計算機控制自動調節。例如,Excelitas Technologies公司的Fetura鏡頭,就在設計中使用兩個直流電機沿一條直線軸驅動變倍鏡頭和補償鏡頭。當變倍鏡頭改變影象的放大倍數時,補償鏡頭補償影象的位移,以使被觀察的物體位於焦平面上。
由於這種鏡頭通過移動鏡頭元件來改變其焦距,因此那些要求機械效能穩定、準確和可重複測量的開發者,過去一直對這種鏡頭不予青睞。Excelitas Technologies公司自2008年推出這類鏡頭以來,目前已經在其Fetura+產品中改進了系統設計,在縮放方面進行了無限校正,在視場邊緣附近增加了改善的聚焦重複性和改善的光學效能,並能與該公司的Optem Fusion鏡頭系統配件相相容。
遠心設計
對於傳統鏡頭,物體距離相機越近,影象看起來越大;物體距離相機越遠,影象看起來越小。這在高精度測量應用中是一個不利因素,因為影象處理軟體將根據所捕獲的影象來測量零件的引數。為了克服這個問題,系統開發人員可以使用遠心鏡頭,以便獲得大小相同的物體影象,影象大小與物體在空間中的位置無關。
一個物體能夠在多大的範圍內移動、並且其成像後仍然看起來大小相同,這個距離稱為放大景深。放大景深與影象清晰度景深不同,後者是我們通常所理解的景深。
相比於傳統鏡頭,遠心鏡頭通常體積較大且比較昂貴,因為它需要較多的鏡頭元件,並且鏡頭需要與被成像的物體一樣大。目前市場上有三種類型的遠心鏡頭——物方遠心鏡頭、像方遠心鏡頭和雙遠心鏡頭。
雖然許多製造商都提供這三種類型的遠心鏡頭,但是像方遠心鏡頭更常用於影象投影裝置中,在機器視覺領域的應用較為少見。例如在光刻系統中,投影鏡頭是典型的像方遠心鏡頭,用於將光刻掩模成像到矽晶片上。這種像方遠心鏡頭的優點是,它們能在視場範圍內提供均勻的光透射。
在機器視覺系統中,最常用的遠心鏡頭是物方遠心鏡頭和雙遠心透鏡。物方遠心鏡頭比雙遠心鏡頭需要更少的鏡頭元件,因此也更加便宜。
物方遠心透鏡在物體側是遠心的;而雙遠心鏡頭在物體側和成像側都是遠心的,即使在相機內的成像器不能保證總是處於光路中的精確位置的情況下,雙遠心鏡頭也能提供恆定的放大率。這種雙遠心鏡頭經常與準直背光照明器一起使用,以保證高對比度影象,從而實現精確的影象測量。