技術文章
機器視覺中CCD工業相機鏡頭的選擇
日期：2017-12-20
來源：J9九游会中国
合適的鏡頭選擇對於機器視覺能否發揮應有的作用是非常重要的。鏡頭的選擇過程，是將鏡頭各項參數逐步明確化的過程。作為成像器件，鏡頭通常與光源、相機一起構成一個完整的圖像采集係統，因此鏡頭的選擇受到整個係統要求的製約。一般地可以按以下幾個方麵來進行分析考慮。
係統若想完全發揮其功能，鏡頭必須要能夠滿足要求才行。當為控製係統選擇鏡頭的時候，機器視覺集成商應該考慮四個主要因素：可以檢測物體類別和特性；景深或者焦距；加載和檢測距離；運行環境。
分析這四個因素，可以針對具體應用確定合適的鏡頭選擇。
1.波長、變焦與否
鏡頭的工作波長和是否需要變焦是比較容易先確定下來的，成像過程中如果需要改變放大的倍率，可以采用變焦鏡頭，否則采用定焦鏡頭。
關於鏡頭的工作波長，常見的是可見光波段，也有其他波段。是否需要另外采取濾光措施？單色光還是多色光？能否有效避開雜散光的影響？把這幾個問題考慮清楚，綜合衡量後再確定鏡頭的工作波長。
2.特殊要求優先考慮
結合實際的應用特點，可能會有特殊的要求，應該先予以明確下來。例如是否有測量功能，是否需要使用遠心鏡頭，成像的景深是否很大等。景深往往不被重視，但是它卻是任何成像係統都必須考慮的。
景深是指由探測器移動引起的可以接受的模糊範圍。光學係統的性能取決於允許的圖像模糊程度，模糊可能源於物體平麵或者圖像平麵的位置漂移。景深效果（DOF）是指由於物體移動導致的模糊。DOF是完全在焦距範圍內最大的物體深度，它也是保持理想對焦狀態下物體允許的移動量（從最佳焦距前後移動）。當物體的放置位置比工作距離近或者遠的時候，它就位於焦外了，這樣解析度和對比度都會受到不好的影響。出於這個原因，DOF同指定的分辨率和對比度相配合。當景深一定的情況下，DOF可以通過縮小鏡頭孔徑來變大，同時也需要光線增強。
在很多情況下，比如說管道檢測，可以使用變焦鏡頭獲得較大的景深。變焦鏡頭和縮放鏡頭很類似，應用在需要經常變換焦距的場合。這些鏡頭經常是電機驅動的，可以保證在對焦平麵上平滑移動。使用這樣的鏡頭，整個管道、每一個環節都可以掃描到，通過調整焦距來發現每個缺陷。然而，同縮放鏡頭不同，變焦鏡頭的工作距離也可以變化，可以根據需要進行重新定位。
3.工作距離、焦距
工作距離和焦距往往結合起來考慮。一般地，可以采用這個思路：先明確係統的分辨率，結合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再結合空間結構約束就能知道大概的物像距離，進一步估算鏡頭的焦距。所以鏡頭的焦距是和鏡頭的工作距離、係統分辨率（及CCD像素尺寸）相關的。
4.像麵大小和像質
所選鏡頭的像麵大小要與相機感光麵大小兼容，遵循“大的兼容小的”原則——相機光麵不能超出鏡頭標示的像麵尺寸——否則邊緣視場的像質不保。
像質的要求主要關注MTF的畸變兩項。在測量應用中，尤其應該重視畸變。
5.光圈和接口
鏡頭的光圈主要影響像麵的亮度。但是現在的機器視覺係統中，最終的圖像亮度是由很多因素共同決定：光圈、相機增益、積分時間、光源等。所以，為了獲得必要的圖像亮度有比較多的環節供調整。
鏡頭的接口指它與相機的連接接口，它們兩者需匹配，不能直接匹配就需考慮轉接。
6.成本和技術成熟度
如果以上因素考慮完之後有多項方案都能滿足要求，則可以考慮成本和技術成熟度，進行權衡擇優選取。
例如，要給硬幣檢測成像係統選配鏡頭，約束條件：相機CCD2/3in，像素尺寸4.65μm,C口。工作距離大於200mm，係統分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。
基本分析如下：
①與白色LED光源配合使用的，鏡頭應該是可見光波段。沒有變焦要求，選擇定焦鏡頭就可以了。
②用於工業檢測，其中帶有測量功能，所以，所選鏡頭的畸變要求小。
③工作距離和焦距。
成像的放大率PMAG=4.65/(0.05x100)=0.093;
焦距f'=LxM/(M+1)=200x0.093/1.093=17mm；
物距要求小於200mm，則選擇的鏡頭要求焦距應該大於17mm。
④選擇鏡頭的像麵應該不小於CCD尺寸，即至少2/3in。
⑤鏡頭的接口要求是C口，能配合相機使用。光圈暫無要求。
從以上幾方麵的分析計算可以初步得出這個鏡頭的”輪廓“：焦距大於17mm，定焦，可見光波段，C口，至少能配合2/3inCCD使用，而且成像畸變要小。按照這些要求，可以進一步挑選，如果多款鏡頭都能符合這些要求，可以擇優選用。
係統若想完全發揮其功能，鏡頭必須要能夠滿足要求才行。當為控製係統選擇鏡頭的時候，機器視覺集成商應該考慮四個主要因素：可以檢測物體類別和特性；景深或者焦距；加載和檢測距離；運行環境。
分析這四個因素，可以針對具體應用確定合適的鏡頭選擇。
1.波長、變焦與否
鏡頭的工作波長和是否需要變焦是比較容易先確定下來的，成像過程中如果需要改變放大的倍率，可以采用變焦鏡頭，否則采用定焦鏡頭。
關於鏡頭的工作波長，常見的是可見光波段，也有其他波段。是否需要另外采取濾光措施？單色光還是多色光？能否有效避開雜散光的影響？把這幾個問題考慮清楚，綜合衡量後再確定鏡頭的工作波長。
2.特殊要求優先考慮
結合實際的應用特點，可能會有特殊的要求，應該先予以明確下來。例如是否有測量功能，是否需要使用遠心鏡頭，成像的景深是否很大等。景深往往不被重視，但是它卻是任何成像係統都必須考慮的。
景深是指由探測器移動引起的可以接受的模糊範圍。光學係統的性能取決於允許的圖像模糊程度，模糊可能源於物體平麵或者圖像平麵的位置漂移。景深效果（DOF）是指由於物體移動導致的模糊。DOF是完全在焦距範圍內最大的物體深度，它也是保持理想對焦狀態下物體允許的移動量（從最佳焦距前後移動）。當物體的放置位置比工作距離近或者遠的時候，它就位於焦外了，這樣解析度和對比度都會受到不好的影響。出於這個原因，DOF同指定的分辨率和對比度相配合。當景深一定的情況下，DOF可以通過縮小鏡頭孔徑來變大，同時也需要光線增強。
在很多情況下，比如說管道檢測，可以使用變焦鏡頭獲得較大的景深。變焦鏡頭和縮放鏡頭很類似，應用在需要經常變換焦距的場合。這些鏡頭經常是電機驅動的，可以保證在對焦平麵上平滑移動。使用這樣的鏡頭，整個管道、每一個環節都可以掃描到，通過調整焦距來發現每個缺陷。然而，同縮放鏡頭不同，變焦鏡頭的工作距離也可以變化，可以根據需要進行重新定位。
3.工作距離、焦距
工作距離和焦距往往結合起來考慮。一般地，可以采用這個思路：先明確係統的分辨率，結合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再結合空間結構約束就能知道大概的物像距離，進一步估算鏡頭的焦距。所以鏡頭的焦距是和鏡頭的工作距離、係統分辨率（及CCD像素尺寸）相關的。
4.像麵大小和像質
所選鏡頭的像麵大小要與相機感光麵大小兼容，遵循“大的兼容小的”原則——相機光麵不能超出鏡頭標示的像麵尺寸——否則邊緣視場的像質不保。
像質的要求主要關注MTF的畸變兩項。在測量應用中，尤其應該重視畸變。
5.光圈和接口
鏡頭的光圈主要影響像麵的亮度。但是現在的機器視覺係統中，最終的圖像亮度是由很多因素共同決定：光圈、相機增益、積分時間、光源等。所以，為了獲得必要的圖像亮度有比較多的環節供調整。
鏡頭的接口指它與相機的連接接口，它們兩者需匹配，不能直接匹配就需考慮轉接。
6.成本和技術成熟度
如果以上因素考慮完之後有多項方案都能滿足要求，則可以考慮成本和技術成熟度，進行權衡擇優選取。
例如，要給硬幣檢測成像係統選配鏡頭，約束條件：相機CCD2/3in，像素尺寸4.65μm,C口。工作距離大於200mm，係統分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。
基本分析如下：
①與白色LED光源配合使用的，鏡頭應該是可見光波段。沒有變焦要求，選擇定焦鏡頭就可以了。
②用於工業檢測，其中帶有測量功能，所以，所選鏡頭的畸變要求小。
③工作距離和焦距。
成像的放大率PMAG=4.65/(0.05x100)=0.093;
焦距f'=LxM/(M+1)=200x0.093/1.093=17mm；
物距要求小於200mm，則選擇的鏡頭要求焦距應該大於17mm。
④選擇鏡頭的像麵應該不小於CCD尺寸，即至少2/3in。
⑤鏡頭的接口要求是C口，能配合相機使用。光圈暫無要求。
從以上幾方麵的分析計算可以初步得出這個鏡頭的”輪廓“：焦距大於17mm，定焦，可見光波段，C口，至少能配合2/3inCCD使用，而且成像畸變要小。按照這些要求，可以進一步挑選，如果多款鏡頭都能符合這些要求，可以擇優選用。
