镜头选择基础

镜头选择基础和视觉系统

图像处理是通过计算像素浓度数据的变化进行检测的处理。因此，要实现稳定检测，需要拍摄清晰的图像。镜头的选择是决定图像处理检测性能的重要因素。本资料对选择正确的镜头所需的基础知识进行讲解。

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：

拍摄

按下快门，拍摄图像。
传送

将图像数据由照相机传送到控制器。
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。
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

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。而这一步的关键在于“镜头和照明的选择”在初级篇中，笔者将以“镜头的选择”为中心，介绍有关拍摄的知识。

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拍摄对视觉系统造成的影响

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。

只有上半部分对焦的模糊图像
杯体从上到下均对焦的图像

即使是高性能的控制器也很难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，拍摄是尤其重要的环节。
要实施高精度的稳定检测，下面3点尤为重要。

将目标物拍摄得较大
拍摄对焦的图像
拍摄明亮清晰的图像

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镜头的基础知识及选择方法

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）

光圈（亮度）调整

调焦

※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。

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）。

WD 与视野的大小由镜头的焦距及 CCD 尺寸决定。在不需要连接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

增加景深（对焦时的高度范围）、得到清晰画面的方法

镜头焦距越小，景深越大。
与拍摄对象距离越远，景深越大。
→注意: 使用连接环或微距镜头时，景深会变小。
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。

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。

不同镜头性能造成对比度的差别

下图是使用本公司生产的高分辨率镜头 “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

CA-LH16

CV-L16

24 万像素 CCD 与 200 万像素 CCD 的比较

下图所示是采用本公司生产的 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。

200 万像素的图像在放大后，其边缘及细节仍然清晰。

参考: 不同照相机的成像质量

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。表示失真率的数值（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。