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機器視覺系統中光學元件的選擇

返回列表 來源:admin 瀏覽: 發布日期:2018-11-29 14:00

  對于每個機器視覺系統應用,光學系統對整個圖像的質量、準確性、速度和重復性都至關重要。構建機器視覺系統時,必須考慮應用、分辨率、照明、景深、視場、處理速度和其他要素。但是,構建的系統往往無法達到性能預期,或者使用了指定條件過多的組件。這兩種缺陷都需要付出高昂的代價,因為由于指定條件不足而出現故障的系統必須重新設計,而指定條件過多的系統包含高價格組件。 
  視覺系統從圖像中提取必要的信息,因此應用將決定所需的圖像質量。而機器視覺系統成像能力是由組件成像能力決定的。每個視覺系統都需要照明、鏡頭、相機以及計算機來分析圖像。應該選擇適合應用且相互補充的組件,避免對系統的某些部件指定過多質量條件。 
  要為應用選擇適當的鏡頭,需要了解多種參數和概念。這些概念包括視場、工作距離、分辨率、對比度、遠心度等。 
        視場 
  視場是被觀察物體的可視區域。換句話說,就是整個物體中填充相機傳感器的部分。視場可以采用多種形式指定:對于縮放或變焦鏡頭,可以使用范圍的形式來指定(如10~50mm);對于工作距離較廣的鏡頭,可以指定為一個角度規格(如25°);對于固定放大倍率鏡頭,可以指定為一個固定數值(如25mm)。但是,如果使用了不同尺寸的成像陣列,所有這些規格都會發生變化。 
  市場上有許多不同尺寸的陣列。要選擇合適的鏡頭,就必須了解陣列的實際尺寸。陣列變大,視場也會隨之增大;反之,傳感器變小,視場也會隨之減小。通過鏡頭的放大倍率,可以指定相應的視場以顧及不同的成像器幅面。鏡頭的放大倍率是系統的主要放大倍率,被稱為主要放大倍率。 
    主要放大倍率 
  主要放大倍率描述了可以在特定傳感器陣列中看到的物體范圍,其計算方式為:主要放大倍率=傳感器尺寸/視場或視場=傳感器尺寸/主要放大倍率。 
   最后,需要尋找與所選相機配合使用時能滿足視場需求的鏡頭。通過為這一公式求解,可以了解需要哪種放大倍率的鏡頭,或者放大倍率或傳感器尺寸變化后可以獲得多大的視場。此外,還必須了解傳感器尺寸(也稱為芯片或傳感器幅面)才能使用這些公式。例如,所需視場=12.8mm、水平傳感器尺寸=6.4mm時,主要放大倍率=6.4mm/12.8mm,主要放大倍率=0.5X。 
   每個鏡頭都會產生一個主要放大倍率或主要放大倍率范圍,這不受所使用傳感器的尺寸影響,因為主要放大倍率是鏡頭的一種屬性。需要注意的是,如果鏡頭的焦距接近無窮遠,則其主要放大倍率接近于零。在這些情況下,使用視場角值可以更加輕松地確定視場。  

   圖1:主要放大倍率是鏡頭的一項屬性,描述了可以在特定傳感器陣列中看到的物體范圍。通過鏡頭的放大倍率,可以指定相應的視場以顧及不同的成像器幅面。 
   工作距離 
   工作距離是指從鏡頭前端到被觀察物體之間的距離。一些鏡頭(如物鏡)具有固定的工作距離,但也有許多鏡頭的工作距離是在特定范圍內的。盡管工作距離可能是需要指定的參數中最簡單的一個,但在確定適合應用的最佳工作距離時,仍然必須考慮一些細節??偟膩碚f,在考慮工作距離時,系統尺寸、移動部件、飛揚的碎屑以及照明等各方面都必須列入考量范疇。此外,鏡頭系統的放大倍率越高,工作距離就越長。如果需要在工作距離較長時達到較高的放大倍率,系統尺寸可以進一步增加。  

    圖2:工作距離是指從鏡頭前端到被觀察物體之間的距離。分辨率是被觀察物體的最小特征尺寸。鏡頭的景深是鏡頭在物體位置靠近或遠離最佳焦點時,保持所需圖像質量的能力。 
     分辨率 
   分辨率是被觀察物體的最小特征尺寸。通過分析分辨率和對比度之間的關系,可以了解極為實用的調制傳遞函數。分辨率是對成像系統再現物體細節能力的測量。例如,假設一個白色背景上有一對黑色方形。如果這兩個方形在鄰近的像素上成像,則會在圖像中顯示為一個大的黑色矩形。為了加以區分,這兩個方形之間需要留出一定的空間。只要找出看見兩個方形所需的最小距離即可了解系統的分辨率極限。交替的黑白方形之間的關系通常被描述為線對。

 

    圖3:條狀目標由不同頻率的線對組成,而星標則由具有連續頻率的楔形組成。條狀目標中的正交線非常有用,因為通過圖像中x和y平面中所顯示不同的誤差,用戶能成功地測試出系統是否存在誤差(散光誤差)。條狀目標受到有限的頻率等級限制。星標沒有這一缺陷,但它們的解譯難度更高。 
     對比度 
    鏡頭對比度通常以再現物體的對比度百分比來定義。圖像的分辨率和對比度可以單獨定義,但同時也密切相關。實際上,沒有指定特定對比度的分辨率往往毫無意義。同樣地,對比度也取決于分辨率頻率。  

   圖4:對比度并不是常量,它取決于頻率。圖中上方的圓點可以通過鏡頭成像。它們略微模糊。如果斑點進一步移近,模糊部分將重疊,且對比度下降。斑點靠近到足以使對比度達到極限的距離時,其間距即為分辨率。 
    景深 
  鏡頭的景深是鏡頭在物體位置靠近或遠離最佳焦點時,保持所需圖像質量的能力。景深也適用于具有一定深度的物體,因為高景深的鏡頭可以清晰呈現整個物體的圖像。當物體放置得過近或過遠而偏離工作距離時,鏡頭就會失焦,分辨率和對比度也都會受到影響。因此,只有同時定義了關聯分辨率和對比度的景深才有意義。 
    畸變 
   畸變是一種幾何光學誤差(像差)。在畸變中,有關物體的信息只是在圖像中發生了錯位,而非真正丟失?;兛赡芫哂袔追N不同的形式:一種是單向畸變,也就是從圖像中心向邊緣偏移的一致性正/負畸變。單向畸變具有兩種形式:桶形(負)和枕形(正)。 
    最后,盡管要構建一個完整的機器視覺系統,但必須了解其中的每個元件才能達到理想效果。所使用的光學元件可以顯著影響整個圖像的質量,確保準確性和重復性,并且提高系統的總體速度。應用成功的基礎是完全承認沒有哪個鏡頭可以解決所有應用問題。 
     

 

 
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