工业相机视觉系统学习:镜头选择

1.0 图像传感器的典型应用

视觉系统过程大致可分为如下四步:

① 拍摄:按下快门,拍摄图像。

② 传送:将图像数据由照相机传送到控制器。

③ 处理:

前处理:对于图像数据进行加工,使其特征更加明显。

测算处理:根据图像数据对于损伤、尺寸等进行测算。

④ 输出结果:将处理结果以信号的方式输出到相连的控制装置( PLC 等)。

视觉系统流程图:

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大多数图像传感器制造商在产品目录中,对于第三步“处理”做了更多的说明。这表明这些厂家更重视控制器的处理能力。实际上,第一步“拍摄”才是得到正确、稳定的视觉系统效果所必需的最主要的步骤。

2.0 拍摄对视觉系统造成的影响

问题:以杯体内侧异物及污点为拍摄对象时,以下2张图像中,哪一张可以在全范围内检测出微小的污点?

答案:当然是右侧的图像。

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无论所用的控制器性能多强,都无法检测出左图中的微小污点。

如果具备正确的知识,即便是杯体这种上下存在高度差的工件,也可拍摄出右图这种全范围对焦的优质图像。

要点:

对于视觉系统,拍摄是最重要的环节。

要实施高精度的稳定检测,下面3点最为重要。

  1. 将目标物拍摄得较大
  2. 拍摄对焦的图像
  3. 拍摄明亮清晰的图像

3.0 镜头的基础知识及选择方法

3.1 镜头的结构

照相机的镜头由多个镜片和光圈/调焦装置构成。

根据监视画面进行光圈调整和调焦,可以得到“明亮、清晰”的图像。

(有些镜头的调整装置是固定的)

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选择镜头时,视野、焦距、焦点、失真等都是需要考虑的因素。下面将只介绍最常用的“根据视野选择镜头的方法”以及“如何得到对焦良好的画面” (增加景深的方法) 这 2 点。

3.2 镜头的焦距及视野的计算方法

焦距是镜头的规格参数之一。

FA 镜头的焦距一般是 8 mm、16 mm、25 mm 或 50 mm。

根据拍摄时所需要的视野及焦距,可以计算出焦点对准的位置(WD,即工作距离)。

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WD 与视野的大小由镜头的焦距及 CCD 尺寸决定。在不需要近摄环的最近距离以上时,可以根据下列公式进行计算。

WD :视野角=焦距:CCD 尺寸

例1 :镜头焦距 16mm、CCD 尺寸 3.6mm 时,为了得到 45mm 的视野,WD 应为 200mm

3.3 增加景深 (对焦时的高度范围)、得到清晰画面的方法

  1. 镜头焦距越小,景深越大。
  2. 与拍摄对象距离越远,景深越大。注意:使用延伸环或微距镜头时,景深会变小。
  3. 光圈越小,景深越大。对于同一只镜头而言,光圈越小,亮度越大,越容易聚焦。

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下图所示为拍摄斜面上表示高度的胶带的情况。比较小光圈和大光圈时的拍摄效果。

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3.4 不同镜头性能造成对比度的差别

下图是使用 高分辨率镜头 “CA-LH16” 和标准镜头 “CV-L16” 拍摄的同一物体的图像。

由于镜头的材料及构造的不同,造成图像质量也不相同。根据用途选择高分辨的镜头,可以得到高对比度的图像。

使用镜头 CA-LH16/CV-L16

检查目标物 复印纸

范 围 60mm/脏污大小:约 0.3mm

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CA-LH16 高分辨率镜头 : 损伤等级 54 / CV-L16 标准镜头 : 损伤等级 38

24 万像素 CCD 与 200 万像素 CCD 的比较

下图所示是采用 24 万像素照相机和 200 万像素照相机拍摄同一画面后,再经电脑放大后的图像。可以看到,使用 200 万像素照相机拍摄的图像更利于读取文字。这意味着成像质量可以直接影响视觉系统的精度。因此,应该根据使用目的,选择适宜的照相机。

放大图像的比较

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200 万像素的图像在放大后,其边缘及细节仍然清晰。

4.0 镜头的扭曲(失真)

什么是镜头的失真?

镜头的失真度是拍摄图像的中央部分与周围部分的变化比率。

由于存在像差,拍摄图像的周边部分会发生某种程度的扭曲现象。

失真可分为桶形失真和枕形失真两类。表示失真度的数值(绝对值)越小,则镜头的精度越高。

在测量尺寸时,应使用失真度小的镜头。一般说来,长焦距镜头的失真度会相对小一些。

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5.0 镜头选择基础和视觉系统总结

拍摄图像的质量是视觉系统的基础。在了解了选择镜头的基础知识后,可以拍摄出:

视野适宜,图像整体聚焦良好,亮度、目标物和背景对比度俱佳的清晰图像。

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作者:江苏一棵树   专业等级:工程师   寻求专业解答(200元/小时)
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