機器視覺設計者如何選擇合適的鏡頭？

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為了實現具有成本效益的機器視覺系統，開發人員必須從眾多可用的鏡頭中選擇最合適的產品。

對於機器視覺系統設計者來說，由於市場上存在諸多不同類型、不同解析度和不同圖像失真特性的鏡頭產品可供選擇，因此針對某一特定應用，在選擇鏡頭時進行性價比權衡，變得更加複雜。

定焦鏡頭由於成本低廉，仍然是許多機器視覺系統的中流砥柱；同時市場上也存在著其他諸多鏡頭選擇，包括變焦距、縮放、遠心、360°光學和液體等鏡頭產品，每種鏡頭都在滿足特定應用方面具有自身的獨特優勢。

確定焦距

在選擇任何特定的鏡頭之前，必須確定其焦距。焦距的選擇取決於成像缺陷所要求的解析度、被成像物體的大小以及物體與相機的距離。這裡所說的焦距，是指鏡頭的光心和相機的圖像感測器之間的距離。

通過改變鏡頭的焦距，可以獲得不同大小的視場（FOV）。選擇鏡頭的正確焦距，取決於物體距相機/鏡頭系統的工作距離、所要求的視場和圖像感測器的尺寸，鏡頭的焦距可由以下公式確定：

焦距=放大倍數×工作距離/（1+放大倍數）

其中，放大倍數= 感測器尺寸/FOV。

因此，對於相同的工作距離，感測器尺寸越大，產生的視場也越大。例如，荷蘭Adimec公司的Opal-2000相機的感測器尺寸為2/3英寸，對於50mm（水平）的FOV和200mm的工作距離，估算鏡頭的焦距為29.93mm。

在選擇鏡頭時，鏡頭的解析度必須要與相機圖像感測器的特性相匹配。因此，系統開發人員必須要在相機和鏡頭之間進行仔細地匹配。

要做到這一點，必須要了解相機中使用的圖像感測器的特性。相機的解析度取決於圖像感測器的像素尺寸，其可以按照線對/mm（lp/mm）的方式計算如下：

1000（lp/mm）/2×像素尺寸（μm）

因此，基於CMOSIS公司（現為AMS Sensors）CMV20000圖像感測器的相機，像素尺寸為6.4μm×6.4μm，圖像感測器的最大解析度為78.125 lp/mm。

為給該相機配備一款鏡頭，開發者需要研究不同鏡頭的調製傳遞函數（MTF）。MTF可以衡量鏡頭「以特定解析度將對比度從物體傳輸到圖像的」能力。在Edmund Optics公司網站上（http://www.edmundoptics.com）發布的一個例子中，Sony公司的ICX625感測器大小為2/3英寸，像素尺寸為3.45μm，最大解析度為145lp/mm，配備焦距12mm的鏡頭（見圖1）。在這裡，理論上可能獲得的最大對比度接近70％（在150 lp/mm時），尚沒有鏡頭設計可以達到更高的水平。因此，將高性能的百萬像素級相機與解析度差的鏡頭相匹配、或是為低端相機配備高性能鏡頭，都會導致最終獲得低對比度的圖像。

圖1：索尼的2/3英寸IXC625感測器，像素尺寸為3.45μm，最大解析度為145lp/mm，配備焦距12mm的鏡頭，理論上可獲得的最大對比度為70％（在150 lp/mm時）。

定焦or變焦？

定焦鏡頭因為使用更少的光學元件、具有低光學失真和相對便宜等優點，在機器視覺系統中被廣泛使用。然而，在某些應用中，可能需要改變視場，特別是系統設計可能會隨時間而改變的情況，或是系統集成商需要為某一應用確定合適的焦距的情況。在這種情況下，可以選擇變焦距鏡頭。不同於縮放鏡頭（zoom）在焦距改變時保持焦點位置不變，變焦距鏡頭需要重新對焦，同時允許對不同的視場進行成像。

CBC/Computar公司的Pete Kepf在他的白皮書《選擇機器視覺鏡頭的七大重要因素Seven Important Factors When Selecting a Machine Vision Lens》中指出，對於給定的工作距離，變焦鏡頭通過調節改變放大率和視場，並且通常會調節鏡頭的光圈、焦距和焦點。與定焦鏡頭不同，變焦鏡頭會指定焦距範圍，如3.5~8mm或6.5~52mm，這意味著鏡頭的焦距可以在這些範圍內調節。

相比於定焦鏡頭，變焦鏡頭更為昂貴，因為它們需要來回滑動的中間組件或後部組件、以及一個單獨的前部單元焦點調節機構。加拿大相機供應商Lumenera公司在《為視覺系統選擇鏡頭Selecting a Lens for a Vision System》一文中指出，如果系統中使用的相機事先已經選定，那麼明智的做法是：考慮購買便宜（低質量）的變焦鏡頭來確定合適的焦距。

與需要重新聚焦的變焦鏡頭不同，縮放鏡頭或齊焦鏡頭（parfocal）在焦距改變時保持焦點位置不變。雖然許多公司使用縮放鏡頭這一術語來描述他們的產品，但其中許多產品實際上是需要手動再聚焦的變焦鏡頭。

例如，Moritex公司的MLH-3XMP鏡頭具有0.3至1倍的放大率和90mm的工作距離，在其公司網站上被列為縮放鏡頭。然而，它實際上是一個變焦鏡頭，因為它具有一個可變的焦點設置機制。Navitar公司的Zoom 7000鏡頭被命名為縮放鏡頭，它是一款近聚焦手動縮放鏡頭，用於對直徑超過1英寸的物體進行成像，在其縮放範圍內是齊焦的，因此所捕獲的圖像在縮放範圍內保持在焦平面上，並不需要手動重新聚焦。

放大

儘管縮放鏡頭在機器視覺應用中並不常見，但這類鏡頭常常被用於顯微成像等應用中，以提供手動或電機控制的圖像放大。通過使用這種縮放鏡頭，操作人員無需更換鏡頭就能在需要的放大率下檢查零件；或者不需要在一個鏡頭盤上安裝多種類型的鏡頭（這樣能在不裝卸鏡頭的情況下改變放大率）。使用縮放鏡頭，可以實現檢測系統的自動化，從而系統可以被編程，進而無需更換鏡頭或旋轉鏡頭盤，就能在低放大率下觀察整個場景、並放大特定細節。

這種縮放鏡頭既可以手動調節，也可以通過計算機控制自動調節。例如，Excelitas Technologies公司的Fetura鏡頭，就在設計中使用兩個直流電機沿一條直線軸驅動變倍鏡頭和補償鏡頭。當變倍鏡頭改變圖像的放大倍數時，補償鏡頭補償圖像的位移，以使被觀察的物體位於焦平面上。

由於這種鏡頭通過移動鏡頭元件來改變其焦距，因此那些要求機械性能穩定、準確和可重複測量的開發者，過去一直對這種鏡頭不予青睞。Excelitas Technologies公司自2008年推出這類鏡頭以來，目前已經在其Fetura+產品中改進了系統設計，在縮放方面進行了無限校正，在視場邊緣附近增加了改善的聚焦重複性和改善的光學性能，並能與該公司的Optem Fusion鏡頭系統配件相兼容。

遠心設計

對於傳統鏡頭，物體距離相機越近，圖像看起來越大；物體距離相機越遠，圖像看起來越小。這在高精度測量應用中是一個不利因素，因為圖像處理軟體將根據所捕獲的圖像來測量零件的參數。為了克服這個問題，系統開發人員可以使用遠心鏡頭，以便獲得大小相同的物體圖像，圖像大小與物體在空間中的位置無關。

一個物體能夠在多大的範圍內移動、並且其成像後仍然看起來大小相同，這個距離稱為放大景深。放大景深與圖像清晰度景深不同，後者是我們通常所理解的景深。

相比於傳統鏡頭，遠心鏡頭通常體積較大且比較昂貴，因為它需要較多的鏡頭元件，並且鏡頭需要與被成像的物體一樣大。目前市場上有三種類型的遠心鏡頭——物方遠心鏡頭、像方遠心鏡頭和雙遠心鏡頭。

雖然許多製造商都提供這三種類型的遠心鏡頭，但是像方遠心鏡頭更常用於圖像投影設備中，在機器視覺領域的應用較為少見。例如在光刻系統中，投影鏡頭是典型的像方遠心鏡頭，用於將光刻掩模成像到硅晶片上。這種像方遠心鏡頭的優點是，它們能在視場範圍內提供均勻的光透射。

在機器視覺系統中，最常用的遠心鏡頭是物方遠心鏡頭和雙遠心透鏡。物方遠心鏡頭比雙遠心鏡頭需要更少的鏡頭元件，因此也更加便宜。

物方遠心透鏡在物體側是遠心的；而雙遠心鏡頭在物體側和成像側都是遠心的，即使在相機內的成像器不能保證總是處於光路中的精確位置的情況下，雙遠心鏡頭也能提供恆定的放大率。這種雙遠心鏡頭經常與準直背光照明器一起使用，以保證高對比度圖像，從而實現精確的圖像測量。

Thorlabs公司的遠心鏡頭均採用雙遠心設計。圖2中顯示了兩個螺釘的圖像，左圖是使用該公司的MVL7000傳統鏡頭成像的，可以看出這幅圖像將導致不正確的高度測量；右圖是使用該公司的MVTC23013 0.128x雙遠心鏡頭成像的，從圖像上看兩個螺釘大小相同，並且處在同一平面上，但實際上它們沿光軸被分開45mm。可以看出，使用雙遠心鏡頭能實現更精確的圖像測量。

圖2：左圖為使用傳統鏡頭成像，這幅圖像將導致不正確的高度測量；右圖是使用雙遠心鏡頭成像的，圖像大小相同，能實現精確測量。

降低相機成本

對於飲料、製藥和化妝品檢測等應用，必須在零件沿傳送帶高速移動時對其進行高速檢測。要做到這一點，必須建立一套能對物體的側面、頂部甚至容器內部成像的系統，以探測缺陷。當然，完成這項任務也有許多不同的方法。

使用多台相機成像物體的頂部和側面，可以完成這個任務。在這裡，可以使用多台相機、安裝支架和軟體校準程序。或者，物體可以圍繞單台線陣相機或面陣相機的視場旋轉，以捕獲物體的360°全方點陣圖像。這種方法需要更加複雜的機械工程，因為在完成合格/不合格判定之前，物體必須執行停止、旋轉和檢測等工序。

為了克服這個問題，可以使用pericentric或catadioptric鏡頭。不同於傳統鏡頭或遠心鏡頭，pericentric鏡頭被設計成使得光線朝著被成像的物體會聚。在機器視覺系統中使用這樣的鏡頭，以便能同時觀察物體的頂部和側面，從而減少了所需的相機和鏡頭的數量，同時也消除了多相機校準的複雜性。

《用單鏡頭系統實現物體的全景檢測Panoramic inspection of objects with single lens systems》演講中，介紹了這種單鏡頭系統是如何對圓柱容器進行成像的。正如Palleschi所介紹的，這種鏡頭的尺寸可以很大，為了減小鏡頭的尺寸和重量，可以使用「透鏡和曲面鏡組合」的catadioptric鏡頭，來獲得相同的效果（見圖3）。

圖3：由於pericentric鏡頭的尺寸可能較大，因此可以使用Opto Engineering公司的PCCD系列等catadioptric鏡頭同時對產品的頂部和側面進行成像，從而減小這種鏡頭的尺寸和重量。

電動調焦

雖然傳統鏡頭可以用來對距離相機不同距離的物體成像，但是如果高度不同的物體出現在成像系統中，鏡頭將需要重新聚焦。雖然可以在自動化生產線上進行手動調焦，但這需要針對不同的焦距重新設置相機。手動調節一方面會需要調節時間，導致停機時間增加；另一方面，若相機和鏡頭安裝在設備上難以達到的區域，那麼手動調節工作也會非常困難。

然而，使用電動聚焦可調鏡頭，這項任務可以在幾毫秒內自動完成（見圖4）。Edmund Optics公司的成像工程師Nick Sischka在他的視頻演講《理解液體鏡頭技術Understanding liquid lens technology》中，介紹了如何使用Optotune公司的焦點可調鏡頭克服了傳統鏡頭的景深限制。

圖4：雖然傳統鏡頭可以對距相機不同距離的物體進行成像，但當不同高度的物體出現在成像系統中時，鏡頭需要重新聚焦。使用電動焦距可調鏡頭，可以在幾毫秒內自動完成這項任務。

儘管目前可用的鏡頭能夠滿足許多機器視覺應用的需求，但是更專業的機器視覺系統可能需要定製的鏡頭和塗層。幸運的是，許多具有內部生產能力的鏡頭製造商，已經準備好定製鏡頭來滿足這些應用需求。當然，這些定製鏡頭會比較昂貴，因此它們通常僅用於那些對成本不敏感的特定成像系統中（例如軍事應用），或是大批量消費產品的生產線中。

無人工廠離不開機器視覺

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