机器视觉系统中光学元件的选择

  对于每个机器视觉系统应用，光学系统对整个图像的质量、准确性、速度和重复性都至关重要。构建机器视觉系统时，必须考虑应用、分辨率、照明、景深、视场、处理速度和其他要素。但是，构建的系统往往无法达到性能预期，或者使用了指定条件过多的组件。这两种缺陷都需要付出高昂的代价，因为由于指定条件不足而出现故障的系统必须重新设计，而指定条件过多的系统包含高价格组件。 
  视觉系统从图像中提取必要的信息，因此应用将决定所需的图像质量。而机器视觉系统成像能力是由组件成像能力决定的。每个视觉系统都需要照明、镜头、相机以及计算机来分析图像。应该选择适合应用且相互补充的组件，避免对系统的某些部件指定过多质量条件。 
  要为应用选择适当的镜头，需要了解多种参数和概念。这些概念包括视场、工作距离、分辨率、对比度、远心度等。 
        视场 
  视场是被观察物体的可视区域。换句话说，就是整个物体中填充相机传感器的部分。视场可以采用多种形式指定：对于缩放或变焦镜头，可以使用范围的形式来指定（如10~50mm）；对于工作距离较广的镜头，可以指定为一个角度规格（如25°）；对于固定放大倍率镜头，可以指定为一个固定数值（如25mm）。但是，如果使用了不同尺寸的成像阵列，所有这些规格都会发生变化。 
  市场上有许多不同尺寸的阵列。要选择合适的镜头，就必须了解阵列的实际尺寸。阵列变大，视场也会随之增大；反之，传感器变小，视场也会随之减小。通过镜头的放大倍率，可以指定相应的视场以顾及不同的成像器幅面。镜头的放大倍率是系统的主要放大倍率，被称为主要放大倍率。 
    主要放大倍率 
  主要放大倍率描述了可以在特定传感器阵列中看到的物体范围，其计算方式为：主要放大倍率=传感器尺寸/视场或视场=传感器尺寸/主要放大倍率。 
   最后，需要寻找与所选相机配合使用时能满足视场需求的镜头。通过为这一公式求解，可以了解需要哪种放大倍率的镜头，或者放大倍率或传感器尺寸变化后可以获得多大的视场。此外，还必须了解传感器尺寸（也称为芯片或传感器幅面）才能使用这些公式。例如，所需视场=12.8mm、水平传感器尺寸=6.4mm时，主要放大倍率=6.4mm/12.8mm，主要放大倍率=0.5X。 
   每个镜头都会产生一个主要放大倍率或主要放大倍率范围，这不受所使用传感器的尺寸影响，因为主要放大倍率是镜头的一种属性。需要注意的是，如果镜头的焦距接近无穷远，则其主要放大倍率接近于零。在这些情况下，使用视场角值可以更加轻松地确定视场。  

   图1：主要放大倍率是镜头的一项属性，描述了可以在特定传感器阵列中看到的物体范围。通过镜头的放大倍率，可以指定相应的视场以顾及不同的成像器幅面。 
   工作距离 
   工作距离是指从镜头前端到被观察物体之间的距离。一些镜头（如物镜）具有固定的工作距离，但也有许多镜头的工作距离是在特定范围内的。尽管工作距离可能是需要指定的参数中最简单的一个，但在确定适合应用的最佳工作距离时，仍然必须考虑一些细节。总的来说，在考虑工作距离时，系统尺寸、移动部件、飞扬的碎屑以及照明等各方面都必须列入考量范畴。此外，镜头系统的放大倍率越高，工作距离就越长。如果需要在工作距离较长时达到较高的放大倍率，系统尺寸可以进一步增加。  

    图2：工作距离是指从镜头前端到被观察物体之间的距离。分辨率是被观察物体的最小特征尺寸。镜头的景深是镜头在物体位置靠近或远离最佳焦点时，保持所需图像质量的能力。 
     分辨率 
   分辨率是被观察物体的最小特征尺寸。通过分析分辨率和对比度之间的关系，可以了解极为实用的调制传递函数。分辨率是对成像系统再现物体细节能力的测量。例如，假设一个白色背景上有一对黑色方形。如果这两个方形在邻近的像素上成像，则会在图像中显示为一个大的黑色矩形。为了加以区分，这两个方形之间需要留出一定的空间。只要找出看见两个方形所需的最小距离即可了解系统的分辨率极限。交替的黑白方形之间的关系通常被描述为线对。

    图3：条状目标由不同频率的线对组成，而星标则由具有连续频率的楔形组成。条状目标中的正交线非常有用，因为通过图像中x和y平面中所显示不同的误差，用户能成功地测试出系统是否存在误差（散光误差）。条状目标受到有限的频率等级限制。星标没有这一缺陷，但它们的解译难度更高。 
     对比度 
    镜头对比度通常以再现物体的对比度百分比来定义。图像的分辨率和对比度可以单独定义，但同时也密切相关。实际上，没有指定特定对比度的分辨率往往毫无意义。同样地，对比度也取决于分辨率频率。  

   图4：对比度并不是常量，它取决于频率。图中上方的圆点可以通过镜头成像。它们略微模糊。如果斑点进一步移近，模糊部分将重叠，且对比度下降。斑点靠近到足以使对比度达到极限的距离时，其间距即为分辨率。 
    景深 
  镜头的景深是镜头在物体位置靠近或远离最佳焦点时，保持所需图像质量的能力。景深也适用于具有一定深度的物体，因为高景深的镜头可以清晰呈现整个物体的图像。当物体放置得过近或过远而偏离工作距离时，镜头就会失焦，分辨率和对比度也都会受到影响。因此，只有同时定义了关联分辨率和对比度的景深才有意义。 
    畸变 
   畸变是一种几何光学误差（像差）。在畸变中，有关物体的信息只是在图像中发生了错位，而非真正丢失。畸变可能具有几种不同的形式：一种是单向畸变，也就是从图像中心向边缘偏移的一致性正/负畸变。单向畸变具有两种形式：桶形（负）和枕形（正）。 
    最后，尽管要构建一个完整的机器视觉系统，但必须了解其中的每个元件才能达到理想效果。所使用的光学元件可以显著影响整个图像的质量，确保准确性和重复性，并且提高系统的总体速度。应用成功的基础是完全承认没有哪个镜头可以解决所有应用问题。