發(fā)展歷程
工業(yè)鏡頭是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中十分重要的成像元件,系統(tǒng)若想完全發(fā)揮其功能,工業(yè)鏡頭必須要能夠滿足要求才行。21世紀(jì)初,隨著機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在精密檢測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,普通工業(yè)鏡頭難以滿足檢測(cè)要求,為彌補(bǔ)普通鏡頭應(yīng)用之不足,適應(yīng)精密檢測(cè)需求,遠(yuǎn)心鏡頭應(yīng)運(yùn)而生。
遠(yuǎn)心鏡頭依據(jù)其獨(dú)特的光學(xué)特性:高分辨率、超寬景深、超低畸變以及獨(dú)有的平行光設(shè)計(jì)等,給機(jī)器視覺(jué)精密檢測(cè)帶來(lái)質(zhì)的飛躍。
原理優(yōu)勢(shì)
遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)目的就是消除由于被測(cè)物體(或CCD芯片)離鏡頭距離得遠(yuǎn)近不一致,造成放大倍率不一樣。根據(jù)遠(yuǎn)心鏡頭的設(shè)計(jì)原理分別為:
1)
物方遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)原理及作用:
物方遠(yuǎn)心光路是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上,物方主光線平行于光軸主光線的會(huì)聚中心位于物方無(wú)限遠(yuǎn),稱之為:物方遠(yuǎn)心光路。其作用為:可以消除物方由于調(diào)焦不準(zhǔn)確帶來(lái)的,讀數(shù)誤差。
物方遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)原理圖
2)像方遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)原理及作用:
像方遠(yuǎn)心光路是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的物方焦平面上,像方主光線平行于光軸主光線的會(huì)聚中心位于像方無(wú)限遠(yuǎn),稱之為:像方遠(yuǎn)心光路。其作用為:可以消除像方調(diào)焦不準(zhǔn)引入的測(cè)量誤差。
像方遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)原理圖
3)兩側(cè)遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)原理及作用:
綜合了物方/像方遠(yuǎn)心的雙重作用。主要用于視覺(jué)測(cè)量檢測(cè)領(lǐng)域。
雙遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)原理圖
遠(yuǎn)心鏡頭圖片展示:遠(yuǎn)心鏡頭
參數(shù)選擇
技術(shù)參數(shù)1)高
影像分辨率圖像分辨率一般以量化圖像傳感器既有空間頻率對(duì)比度的CTF (對(duì)比傳遞函數(shù))衡量,單位為lp/mm(每毫米線耦數(shù))。大部分機(jī)器視覺(jué)集成器往往只是集合了大量廉價(jià)的低像素、低分辨率鏡頭,最后只能生成模糊的影像。而采用AFT遠(yuǎn)心鏡頭,即使是配合小像素圖像傳感器(如5.5百萬(wàn)像素, 2/3"),也能生成高分辨率圖像。
2)近乎零失真度
畸變系數(shù)即實(shí)物大小與圖像傳感器成像大小的差異百分比。普通機(jī)器鏡頭通常有高于1~2%的畸變,可能?chē)?yán)重影響測(cè)量時(shí)的精確水平。相比之下,遠(yuǎn)心鏡頭通過(guò)嚴(yán)格的加工制造和質(zhì)量檢驗(yàn),將此誤差嚴(yán)格控制在0.1%以下。
3)無(wú)透視誤差
在計(jì)量學(xué)應(yīng)用中進(jìn)行精密線性測(cè)量時(shí),經(jīng)常需要從物體標(biāo)準(zhǔn)正面(完全不包括側(cè)面)觀測(cè)。此外,許多機(jī)械零件并無(wú)法精確放置,測(cè)量時(shí)間距也在不斷地變化。而軟件工程師卻需要能精確反映實(shí)物的圖像。遠(yuǎn)心鏡頭可以完美解決以上困惑:因?yàn)槿肷涔馔晌挥跓o(wú)窮遠(yuǎn)處,成像時(shí)只會(huì)接收平行光軸的主射線。
4)遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)與超寬景深
雙遠(yuǎn)心鏡頭不僅能利用光圈與放大倍率增強(qiáng)自然景深,更有非遠(yuǎn)心鏡頭無(wú)可比擬的光學(xué)效果:在一定物距范圍內(nèi)移動(dòng)物體時(shí)成像不變,亦即放大倍率不變。
如何選擇這些年機(jī)器視覺(jué)在中國(guó)發(fā)展迅速,大家在系統(tǒng)集成中對(duì)普通鏡頭的選型已經(jīng)有了一定了解,但是對(duì)遠(yuǎn)心鏡頭的選型還經(jīng)常是一頭霧水,即便在技術(shù)人員的幫助下選擇完鏡頭,在使用過(guò)程中還是不知道該注意哪些問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,遠(yuǎn)心鏡頭和相機(jī)的匹配選擇原則和普通工業(yè)鏡頭是一樣的,只要其靶面的規(guī)格大于或等于相機(jī)的靶面即可。使用過(guò)程中請(qǐng)留意,在遠(yuǎn)心鏡頭的物鏡垂直下方區(qū)域范圍的都是遠(yuǎn)心成像,而超出此范圍的區(qū)域,就不是嚴(yán)格意義上的遠(yuǎn)心成像了,這點(diǎn)在實(shí)際的使用中一定要注意,否則會(huì)產(chǎn)生不必要的偏差。
客戶在選擇遠(yuǎn)心鏡頭時(shí),首先應(yīng)明白在什么時(shí)候需要時(shí)選擇遠(yuǎn)心鏡頭。根據(jù)遠(yuǎn)心鏡頭原理特征及獨(dú)特優(yōu)勢(shì),
當(dāng)檢查物體遇到以下6
種情況時(shí),最好選用遠(yuǎn)心鏡頭:
1)當(dāng)需要檢測(cè)有厚度的物體時(shí)(厚度>1/10 FOV直徑);
2)需要檢測(cè)不在同一平面的物體時(shí);
3)當(dāng)不清楚物體到鏡頭的距離究竟是多少時(shí);
4)當(dāng)需要檢測(cè)帶孔徑、三維的物體時(shí);
5)當(dāng)需要低畸變、圖像效果亮度幾乎完全一致時(shí);
6)當(dāng)缺陷只在同一方向平行照明下才能檢測(cè)到時(shí)。
選擇遠(yuǎn)心鏡頭,首先應(yīng)明白遠(yuǎn)心鏡頭相關(guān)指標(biāo)對(duì)應(yīng)使用條件:
1)物方尺寸------拍攝范圍。
2)像方尺寸------使用的CCD的靶面大小。
3)工作距離------物方鏡頭前表面距離拍攝物的距離。
4)分辨率---------使用的CCD像素大小。
5)景深------------鏡頭能成清晰像的范圍。像/物倍率越大景深越小。
6)接口------------照相機(jī)接口,多為C,T等接口。
根據(jù)使用情況(物體尺寸和需要的分辨率)選擇物方尺寸合適的物方鏡頭和CCD或CMOS相機(jī),同時(shí)得到像方尺寸,即可計(jì)算出放大倍率,然后根據(jù)產(chǎn)品列表選擇合適的像方鏡頭。選擇過(guò)程中還應(yīng)注意景深指標(biāo)的影響,因?yàn)橄?物倍率越大景深越小,為了得到合適的景深,可能還需要重新選擇鏡頭。
基本分類(lèi)
遠(yuǎn)心鏡頭主要分為物方遠(yuǎn)心鏡頭、像方遠(yuǎn)心鏡頭和兩側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭。
物方鏡頭物方遠(yuǎn)心鏡頭是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上,當(dāng)孔徑光闌放在像方焦平面上時(shí),即使物距發(fā)生改變,像距也發(fā)生改變,但像高并沒(méi)有發(fā)生改變,即測(cè)得的物體尺寸不會(huì)變化。物方遠(yuǎn)心鏡頭用于工業(yè)精密測(cè)量,畸變極小,高性能的可以達(dá)到無(wú)畸變。
像方鏡頭像方遠(yuǎn)心鏡頭,通過(guò)在物方焦平面上放置孔徑光闌,使像方主光線平行于光軸,從而雖然CCD芯片的安裝位置有改變,在CCD芯片上投影成像大小不變。
雙側(cè)鏡頭雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭兼于上面兩種遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)圖像處理中,一般只使用物方遠(yuǎn)心鏡頭。偶爾也有使用兩側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭的,(當(dāng)然價(jià)格更高)。而在工業(yè)圖像處理/機(jī)器視覺(jué)這個(gè)領(lǐng)域里,像方遠(yuǎn)心鏡頭一般來(lái)說(shuō)不會(huì)起作用的,因此這個(gè)行業(yè)基本是不用它的。
應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
遠(yuǎn)心鏡頭主要應(yīng)用于精密測(cè)量。在精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中,由于普通光學(xué)鏡頭會(huì)存在一定的制約因素,如影像的變形、視角選擇而造成的誤差、不適當(dāng)光源干擾下造成邊界的不確定性等問(wèn)題,進(jìn)而影響測(cè)量的精度。而遠(yuǎn)心鏡頭(Telecentric鏡頭)能有效降低甚至消除上述問(wèn)題,因此Telecentric鏡頭已經(jīng)成為精密光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)決定性的組件,其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。
普通鏡頭對(duì)比
遠(yuǎn)心工業(yè)鏡頭主要是為糾正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭的視差而特殊設(shè)計(jì)的鏡頭,它可以在一定的物距范圍內(nèi),使得到的圖像放大倍率不會(huì)隨物距的變化而變化,這對(duì)被測(cè)物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。
普通工業(yè)鏡頭目標(biāo)物體越靠近鏡頭(工作距離越短),所成的像就越大。在使用普通鏡頭進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí),會(huì)存在如下問(wèn)題:
1)由于被測(cè)量物體不在同一個(gè)測(cè)量平面,而造成放大倍率的不同;
2)鏡頭畸變大;
3)視差也就是當(dāng)物距變大時(shí),對(duì)物體的放大倍數(shù)也改變;
4)鏡頭的解析度不高;
5)由于視覺(jué)光源的幾何特性,而造成的圖像邊緣位置的不確定性。
而遠(yuǎn)心鏡頭就可以有效解決普通鏡頭存在的上述問(wèn)題,而且沒(méi)有此性質(zhì)的判斷誤差,因此可用在高精度測(cè)量、度量計(jì)量等方面。遠(yuǎn)心鏡頭是一種高端的工業(yè)鏡頭,通常有比較出眾的像質(zhì),特別適合于尺寸測(cè)量的應(yīng)用。
無(wú)論何處,在特定的工作距離,重新調(diào)焦后會(huì)有相同的放大倍率,因?yàn)檫h(yuǎn)心鏡頭的最大視場(chǎng)范圍直接與鏡頭的光欄接近程度有關(guān),鏡頭尺寸越大,需要的現(xiàn)場(chǎng)就越大。遠(yuǎn)心測(cè)量鏡頭能提供優(yōu)越的影像質(zhì)素,畸變比傳統(tǒng)定焦鏡頭小,這種光學(xué)設(shè)計(jì)令影像面更對(duì)稱,可配合軟件進(jìn)行精密測(cè)量。
普通鏡頭優(yōu)點(diǎn):成本低,實(shí)用,用途廣。
普通鏡頭缺點(diǎn):放大倍率會(huì)有變化,有視差。
普通鏡頭應(yīng)用:大物體成像。
遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)點(diǎn):放大倍數(shù)恒定,不隨景深變化而變化,無(wú)視差。
遠(yuǎn)心鏡頭的缺點(diǎn):成本高,尺寸大,重量重。
遠(yuǎn)心鏡頭的應(yīng)用:度量衡方面,基于CCD方面的測(cè)量,微晶學(xué)。