选择机器视觉镜头的七个重要因素外文翻译资料

选择机器视觉镜头的七个重要因素

概要

相应技术和可变性，持续推动着机器视觉应用技术从工业领域到商业领域，它的 应用不仅仅是专业人士手中的手动光圈固定焦距镜头。这篇剪短的文章重点介绍 了机器视觉中使用的镜头的一些常见特征和功能。

简单的说，镜头将世界聚焦到不一样的媒介上。 它可以像用于观察日食的针孔镜 头一样简单，其本质是一块纸板，或者像哈勃太空望远镜上的矫正光学太空望远 镜轴向替换一样复杂， 其介质是电荷耦合器件(CCD). 在这两个极端之间，是有很 多有效和负担得起的镜头解决方案，那些被使用在机器视觉相机的解决方案。这 些透镜能聚焦一个有趣的对象。这些最常见的镜头类型在白皮书中有描述。

内容

概要 ................................................................................................................................................2

主镜头注意事项 ........................................................................................................................... 3

副镜头注意事项 ........................................................................................................................... 6

术语表 ........................................................................................................................................... 8

摘要 ............................................................................................................................................. 11

主镜头注意事项

当选择一个透镜给机器视觉应用时，有几个需要考虑的因素。被检查的物体和摄 像机之间的距离是多少, 工作距离(WD)? 这将会影响镜头的焦点和焦距。这个合适 的距离是多少？决定了它的视场(FOV). 要检测的缺陷的大小是多少?这里决定了传 感器的分辨率，因此图像传感器和像素大小，以及是否需要摄像机动作或特殊的固 定。照明条件如何?灯光能被控制吗?物体是发光的还是在发光的环境中?物体或相 机是移动的还是静止的?如果移动，有多快?物体和相机之间的运动会影响快门速 度，这也会影响进入镜头的光线和f-Number。这些变量和更多的变量使选择合适的 镜头成为一个挑战，但从根本上说，我们可以从三个主要类型开始，根据特征:聚 焦类型、虹膜类型和焦距。

焦点描述了来自真实世界的图像如何清晰地复制到传感器上;可以手动调节，也可 以自动调节。焦距是指透镜的光学中心与成像传感器表面之间的距离，确定放大 率。镜头有固定或可变焦距，可手动调节或自动调节。虹膜控制到达相机传感器的 光量。这也可能是手动或自动调整，甚至可能是软件控制结合相机虹膜。

焦点

当通过透镜的点光源产生传感器或介质上最小的面积时，这就是焦点。镜片可以有 手动或自动调节。焦点可以手动或自动调整(自动对焦)。

手动对焦

顾名思义，手动对焦镜头是由观察图像的操作员手动调节的。手动固定焦距的透镜 通常有两个调整环，一个用于光圈(iris)，一个用于景深(DOF)内的“精细”焦距 调整。手动对焦镜头用于随钻测量恒定的场合，例如在典型的工厂自动化应用中。

自动对焦

自动对焦镜头有一个内置的马达来改变镜头的焦点。请注意，自动对焦镜头不会改 变焦距(参见下面的“可变焦距”);它只是根据景深调整最佳聚焦。自动对焦镜头 可以通过距离传感器“主动”向电机发出信号，也可以通过软件“被动”向电机发 出信号。操作员选择要对焦的目标场景，然后自动对焦镜头将随着目标WD的变化而 改变对焦。自动对焦镜头通常内置在智能相机中，以提高图像质量，用于检测物体 的工作距离可能略有不同的地方，比如从传送带下来的包裹。

焦距

焦距是指镜头的光学中心与摄像机传感器表面之间的距离。焦距是世界和传感 器(放大)之间表观尺寸变化的一个因素。对于视场和工作距离恒定的机器视觉应 用，固定焦距镜头的设计简单、紧凑是首选。可变焦距透镜在机器视觉应用和演 示中非常有用，可以容易地评估一个应用程序或演示各种特点，无需更换镜头。

固定焦距

更少的光学元件导致更低的成本，因为这些

镜片有更少的光学元件或通过这些元件的阶段

光必须通过，光学失真最小。正如它的名字

也就是说，固定焦距透镜的焦距是

其机械设计，并不能改变。常见的可用

固定焦距为8mm、16mm、25mm和50mm。由于其简单性，

固定焦距镜头可以是手动或手动自动调节(自动对焦)。

变焦距

可变焦距透镜有一个使操作者能够调节的调节装置

改变镜头的焦距。这个调整改变了给定工作距离的

放大倍数和视场。当焦距改变时，镜头必须重新聚焦

在新的环境下。可变焦距透镜的常用范围是4-8mm、

8.5-50mm和12-36mm。可变焦距透镜通常有三种调整:

一种用于虹膜(光圈)，一种用于焦距，一种用于焦距。

变焦

变焦镜头是一种复杂的镜头，在变焦时保持焦距

焦距变化。这种调整改变了放大率和视野。通常“变焦”

一词被误用在变焦镜头上。由于变焦镜头的机械复杂性和

变形潜力，变焦镜头很少用于机器视觉的应用，但对一些

演示和评估。

虹膜

虹膜通过改变光圈大小来决定到达相机传感器的光量。过多的光线会降低图像的对比度，过少的光线会使特征变得难以辨认。虹膜是一种叶膜(Burke, 1966)，其开口可以手动或自动调节。在灯光被控制的机器视觉应用中， 比如在工厂自动化中，会使用人工虹膜，而在户外检测应用中，会使用自动虹 膜。如果虹膜控制是自动的，则控制方法为直流、视频或p -虹膜。

请注意，叶膜鸢尾具有一个共同的设计特征，它们影响焦点和景深。景深是指距 离镜头的距离范围，在此范围内图像将保持聚焦。这是光线进入透镜角度的函 数。一个全开的孔径将有一个更小的范围是一个更封闭的。

人工虹膜

一般使用人工虹膜的镜头是在光线被控制的地方，例如室内检 查。由于前文提到的景深效应，许多应用程序将利用高亮度和 减小光圈调整来优化性能。

自动虹膜

在光线受到严格控制的情况下，机器视觉应用程序并不总是可 能的。户外品牌

read和rail car ID就是两个例子。在这些情况下，使用自动 虹膜透镜是有用的。自动虹膜控制有三种类型:DC、Video 和P-Iris。

直流自动虹膜

直流自动虹膜镜头由支持摄像机的直流信号控制。这个信号与到达的光量成正比

该摄像机适用于直流电机。电机驱动器

对着弹簧开孔;弹簧张力关闭

它。具有连续调整电机的技术

信号表明虹膜在不断调整。

视频自动虹膜

视频自动虹膜透镜的功能与直流自动虹膜类似。

主要的区别是视频自动虹膜镜头从支持的摄像机

接收视频信号。这个信号与到达相机的亮度成正比，

并通过镜头中的电路放大。

P-虹膜 (精确虹膜)

今天的百万像素相机传感器的像素非常小，如果由于光圈缩小导致亮度很低，就 有可能由于衍射造成图像模糊(Axis Communications, 2010)。所有的镜头都有像 差，随着亮度的增加，强度可能会分散到几个像素

在摄像机传感器中。这种效果随着像素的增加而加剧

小。与支持的照相机一起，P-Iris

自动调整虹膜设置，允许选择

最好的质量或最好的景深，同时提供最高的

应用程序的敏感性。与DC-iris

或视频虹膜镜头，p -虹膜控制的主要任务是不去

不断调整光线通过镜头的流动。它是

通过设置最佳的虹膜位置来提高图像质量

使镜头的中央和最佳表现部分被使用

大多数时候，相机的增益是根据亮度调整的。

(轴通讯,2010)

其他的镜头考虑

3 运动镜头

复杂的镜头可参与机动的焦点，虹膜，和变焦。这些镜头允许独立远程控制每个参 数。这种类型的镜头的机器视觉应用是户 外检查和不同物体尺寸的ID。

预设的焦点和缩放

可在聚焦/变焦电路中添加一个可选的电位计，以便为给定的工作距离预先设置。 该镜头的机器视觉应用是体育赛事计时。

位置过滤器

如果光照范围大，可以使用可选的点滤波器。点滤光片是透射率较低的区域镜头中心。它对全开光圈的影响很小，但是当虹膜闭合时，它对减少进入透镜的光线的贡献就增加了。采用点滤波器可 以显著提高光学系统的动态范围。这个选项的机器视觉应用程序是高炉检查。

像素的镜头

过去，模拟摄像机用320条水平线捕捉图像，早期的机器视觉系统习惯上将这些摄 像机与安全镜头连接起来。透镜分辨率的一般测试规范是每毫米的线对(lp/mm)。 这描述了透镜能够解决大小相等的黑白参照物之间的差别的最小距离。然后，镜 头的分辨率超过了相机的分辨率，所以相机的分辨率是首要考虑的问题。即使出 现了VGA分辨率为640 x 480像素的数码相机，安全镜头的质量也足够不成为分辨 率的瓶颈。 今天的高分辨率百万像素相机超过了安全镜头的分辨率。一个500万 像素的相机将不能执行其指定的分辨率，除非镜头分辨率满足或超过相机传感器 的分辨率。此外，需要考虑相机的格式以避免光晕，传感器上的像素大小应该与 镜头分辨率兼容。“每毫米线对”一词在数字世界中没有任何意义。要将镜头分 辨率与数码相机分辨率联系起来，需要知道传感器的大小和像素数量。因此，每 毫米的行对可以转换为每像素的行对(lp / px)。此外，镜头的分辨率可以从镜头的中心到外径的变化。为了解决这两 个问题对于要求高的机器视觉应用，建议从制造商获得该透镜的MTF图 （Modulation Transfer Function，调制传递函数）。MTF图是透镜测试的结果。下面的图表比较了在距离中心4个距离的320mm的工作距离下的空间频率和对比度。每个直径有两条 曲线，一条是水平测试模式，一条是垂直测试模式。

为了简化镜头的选择过程，镜头制造商指定了一个给定镜头将支持的“百万像 素”(1.5百万像素，2百万像素，5百万像素，等等)，然而，对于分辨率很重要的 机器视觉应用(测量，测量)，重要的是获得MTF图。

术语表

孔径

晶状体由虹膜形成的开口。开口的相对大小称为f数。

自动对焦

镜头焦距的自动调整，使预先选定的物体的影像在距镜头的距离改变时仍能保持焦 距。自动对焦镜头可以是主动的(发射和接收信号)，也可以是被动的(用软件分析 图像)。

景深 (DOF)

一个给定的镜头焦距只能提供一个聚焦图像的距离。对于机器视觉应用来说，这是 点光源在视觉传感器芯片上产生最小点的地方。然而，在一个范围内，点源，虽然 在传感器上产生一个圆(“混乱圆”)，仍然可以作为点源来分析。这个范围构成了 景深。

除了“混乱圈”之外，影响景深的其他因素还有物体的运动、到物体的距离、镜头 焦距、镜头f数、图像传感器芯片的大小和图像传感器像素的大小。

焦距比数 (f/N)

焦距比数是指镜头的速度。它是孔径大小和相机焦距的比值。随着f数的增加，进 入透镜的光量减少，景深增加。最小f值越小的镜片光圈越大，因此被称为“快 速”镜片，因为在快速快门速度下获得的图像比“慢”镜片获得的光线更多。

视场 (FOV)

通过镜头捕捉并传送到视觉传感器芯片上的“世界”区域。对于机器视觉应用，一个近似的FOV可以计算如下:

FOV = h x WD/ f

其中：

FOV = 以毫米为单位的水平视场
h = 传感器的水平尺寸(以毫米为单位)=工作距离(以毫米为单位)
f = 以毫米为单位焦距

这是一种估计，因为光学中心和传感器表面之间的精确距离通常不容易得到。

焦距

透镜的焦距定义为最初对准光线聚焦的距离(Wikipedia, 2016)。名义上，它是透 镜的光学中心和视觉传感器芯片表面之间的距离。随着距离的减小，光线进一步 弯曲，提供更宽的视角和增加失真(广角);随着距离的增加，光线的弯曲程度降 低，视角更窄，失真程度降低(远摄)。

对于机器视觉应用，需要的焦距可以用以下公式近似表示:

f = h x WD/ 水平 FOV

其中:
f = 焦距（毫米）
h = 传感器的水平尺寸（毫米）

WD = 工作距离（毫米）水平视场（毫米）

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