《智能視覺技術及應用》課件第3章

第3章工業(yè)鏡頭3.1鏡頭的成像原理3.2工業(yè)鏡頭的參數(shù)3.3

常用的工業(yè)鏡頭3.4遠心鏡頭3.5工業(yè)鏡頭的選型本章小結

工業(yè)鏡頭是一種光學設備,用于聚焦光線在相機內部成像。鏡頭的作用是產生銳利的圖像,以得到被檢測物的細節(jié)。

圖3-1為工業(yè)鏡頭示例。圖3-1工業(yè)鏡頭示例

3.1鏡頭的成像原理

3.1.1鏡頭的基本概念光學儀器的核心部分是鏡頭。大多數(shù)鏡頭的主要作用是對物體成像,即將物體通過鏡頭成像,以供人眼觀察或被照相機、圖像傳感器接收。所有的鏡頭都是由一些光學零件按照一定的方式組合而成的。常見的光學零件有反射鏡、平行平板、透鏡和棱鏡等,其截面如圖3-2所示。圖3-2常見的光學零件

組成鏡頭的各光學零件的表面曲率中心在同一條直線上的鏡頭稱為共軸鏡頭,連接各曲率中心的直線稱為光軸,光軸也是整個鏡頭的對稱軸。相應地,也有非共軸鏡頭。常用的

工業(yè)鏡頭絕大部分都屬于共軸鏡頭,圖3-3所示為共軸鏡頭實物圖。圖3-3-共軸鏡頭

3.1.2鏡頭成像的基本原理

鏡頭成像以凸透鏡成像原理為基礎,通過組合透鏡把物體發(fā)出或反射的光線成像在像平面上,然后通過不同材質、曲率、中心間隔的透鏡組校正畸變、色散、場曲等各種成像不良現(xiàn)象,以減輕圖像的失真。圖3-4為光學成像原理光路圖。圖3-4光學成像原理光路圖

3.2工業(yè)鏡頭的參數(shù)

鏡頭用于采集圖像,并將圖像發(fā)送至相機中的圖像傳感器。不同的鏡頭在光學質量和價格方面存在差異,所使用的鏡頭決定采集圖像的質量和分辨率。鏡頭相當于人眼的晶狀體,如果沒有晶狀體,人眼將看不到任何物體,如果沒有鏡頭,那么相機所輸出的圖像就是白茫茫的一片。圖3-5所示為鏡頭成像參數(shù)示意圖,可通過改變圖中的參數(shù),輸出清晰圖像。圖3-5鏡頭成像參數(shù)示意圖

1.放大倍率

放大倍率是指物體通過鏡頭在焦平面上成像的大小與物體實際大小的比值,一般用β表示,如圖3-6所示。需要注意的是,當β<1時,成像大小小于物體實際大小,鏡頭起縮小的作用。圖3-6放大倍率示意圖

2.工作距離

工作距離也就是物距,是指鏡頭最前端到被測物體上表面的距離,用WD表示。一般鏡頭的工作距離都是一個范圍,也有一部分鏡頭的工作距離是固定不變的,比如遠心鏡頭,具體會在3.4節(jié)詳細介紹。

3.焦距

焦距就是焦點距離,也稱為焦長,用f表示。焦距是光學系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式,指平行光入射時從透鏡中心到光聚集的焦點的距離。在照相系統(tǒng)中,焦距就是從鏡頭光學中心到成像平面的距離,如圖3-7所示。圖3-7照相系統(tǒng)焦距示意圖

結合上述放大倍率的計算方法,可得出焦距與工作距離、物像大小之間的關系如下:

4.視場角

在光學系統(tǒng)中,以鏡頭為頂點,以被測物體可通過鏡頭的最大成像范圍的兩條邊緣構成的夾角稱為視場角,用FOV表示。對于鏡頭來說,視場角主要是指它可以拍攝的視野范圍。圖3-8為視場角與焦距的關系圖。圖3-8視場角與焦距的關系圖

在工業(yè)鏡頭參數(shù)列表中,我們可以看到視場角是以(D×H×V)三個角度來表示的,因為相機的感光面是矩形的,所以我們常以矩形感光面對角線的長度計算視場角(用D表

示),也有以矩形感光面的長邊尺寸或者短邊尺寸計算視場角的,稱為水平視場角或垂直視場角(分別用H或V表示)。圖3-9為三個方向視場角的示意圖。圖3-9三個方向視場角的示意圖

視場角的大小決定了鏡頭某個工作距離上的視野范圍,視場角越大,視野范圍就越大。具體關系如下:

推導可得:

式中,α為三個方向視場角的任一角度,L為相應方向的物體寬度。

5.光圈

光圈用來描述控制光線透過鏡頭的總體光通量、鏡頭的景深以及確定分辨率下鏡頭成像的對比度。光圈大小通常是用F/數(shù)值來表示。

光圈的作用在于決定光學系統(tǒng)接收光能量的多少,光圈值越小,光圈就越大,進光量就越多,畫面越亮;光圈值越大,光圈就越小,畫面越暗。圖3-10為光圈和通光孔徑大小的關系圖。圖3-10光圈和通光孔徑的關系圖

光圈除了與成像像面亮度有直接關系外,還和圖像對比度、分辨率、景深都有密切關系。在一定情況下,光圈越大,圖像對比度越高,分辨率越高,景深越小;反之,光圈越小,圖像對比度越低,分辨率越低,景深越大。當然,光圈并不是越大越好,我們在調整光圈的時候要綜合考慮它對整個圖像的影響。圖3-11為光圈與景深的關系。圖3-11光圈與景深的關系

6.景深

景深是物體在容許對焦情況下最近位置與最遠位置之間的范圍。接收器(如人眼或圖像傳感器)的圖像辨別能力有限,鏡頭在這段距離之內拍攝都能夠成比較清晰的像。成像清晰的最遠的平面稱為后景深,成像清晰的最近平面稱為前景深。它們距對準平面的距離分別稱為后景深度和前景深度。景深是前景深和后景深之和,ΔL=ΔL1+ΔL2,如圖3-12所示。圖3-12前景深與后景深的示意圖

鏡頭的景深可以通過景深測定板進行測量。圖3-13(a)為景深測定板,從圖(b)中可以清楚讀出,最清晰的刻度為14mm到17mm之間,那么該鏡頭的景深范圍為3mm。圖3-13-景深測定板與景深測定板讀數(shù)

7.分辨率

分辨率也叫分辨力,表示鏡頭分辨物體細節(jié)的能力,是鏡頭的一個重要性能指標。它是指在成像平面上1mm間距內能分辨開的黑白相間的線條對數(shù),單位是線對/毫米(lp/mm)。

圖3-14中,分辨率為1/(2d)(d為線寬)。圖3-14分辨率示意圖

一般來說,鏡頭成像會有物方和像方,那么鏡頭的分辨率也就分為物方分辨率和像方分辨率。一般鏡頭和相機匹配都是看像方分辨率和像素大小,視覺檢測評估精度都是在說物方分辨率。物方分辨率(OR)和像方分辨率(IR)之間的關系是:

其中,MR是放大倍率。

在實際設計時,系統(tǒng)的分辨率要求并未以lp/mm給定,而是以μm或mm給定。它們的轉換方式為

一般我們用分辨率板來測定鏡頭的分辨率。分辨率板是根據(jù)美軍標對比度規(guī)格設計的,如圖3-15所示。圖3-15分辨率板樣圖

8.銳度

銳度用來描述在給定的物體分辨率下黑色與白色的區(qū)分程度。要使圖像看起來輪廓分明,黑色細節(jié)需要顯示為黑色,白色細節(jié)必須顯示為白色。黑色和白色信息越趨向于中間灰色,該頻率下的銳度越低;明暗線條之間的強度差異越大,銳度越高。如圖3-16所示,從黑色過渡為白色是高銳度,中間灰色則表明銳度較低?？筛鶕?jù)以下公式對給定頻率下的銳度進行計算:

其中,Imax是最大強度,Imin是最小強度(如果使用了相機,通常會采用像素灰度值來表示)。圖3-16銳度示意圖

9.畸變

畸變作為工業(yè)鏡頭中涉及的一個參數(shù),是限制鏡頭測量準確性的重要因素之一。它用來描述鏡頭對物體所成的像相對于物體本身而言的失真程度,它只引起像的變形,對像的清晰度并無影響。

畸變定義為實際像高與理想像高的差,而在實際應用中經常用到的是實際像高和理想像高的差與理想像高之比(即畸變率)。

例如,一個圖像上一點距離其中心有198個像素,而不存在畸變時該點距圖像中心的距離是200個像素,那么在這一點上的徑向畸變率(DR)將是-1%,這就是失真差異與真實大小的百分比。計算方法如下:

常見的畸變形式有桶形畸變和枕形畸變,如圖3-17所示。桶形畸變又稱桶形失真,是指鏡頭引起的成像畫面呈桶形膨脹狀的失真現(xiàn)象,桶形畸變在工業(yè)鏡頭成像尤其是廣角鏡頭成像時較為常見。枕形畸變又稱枕形失真,是指鏡頭引起的成像畫面向中間“收縮”的現(xiàn)象,枕形畸變在長焦鏡頭成像時較為常見。圖3-17常見的畸變形式示意圖

3.3-常用的工業(yè)鏡頭

1.定焦鏡頭定焦鏡頭的焦距是固定的,常見的有8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm、75mm。定焦鏡頭雖然焦距固定但可以通過聚焦環(huán)進行不同工作距離的清晰成像,并可通過光圈調節(jié)控制進光量,成像質量好,有效工作距離范圍大,視野較大,是目前機器視覺行業(yè)中應用最為廣泛的鏡頭。圖3-18所示為定焦鏡頭。圖3-18定焦鏡頭

2.變焦鏡頭

變焦鏡頭的焦距有一定的變化范圍,它的鏡頭焦距可在較大的幅度內自由調節(jié),起到了若干只不同焦距的定焦鏡頭的作用。它又有手動變焦和電動變焦兩類,可對視野范圍及

被測物進行變焦距拍攝,適合長距離變化觀察和拍攝目標。變焦鏡頭的特點是在成像清晰的情況下,通過鏡頭焦距的變化來改變圖像大小與視場大小。

變焦鏡頭常用的焦距段有3.5~8mm、12~36mm等,使用起來靈活。由于設計原因,其成像質量略低于定焦鏡頭,屬于較低端的產品,在工業(yè)檢測中不常用。圖3-19所示為變焦鏡頭。

圖3-19變焦鏡頭

3.顯微放大鏡頭

顯微放大鏡頭用于觀測范圍較小的物體,通常為毫米級,一般不用焦距來定義,而是采用光學放大倍率。常見的顯微放大鏡頭又分為定倍和變倍鏡頭,通常以0.1~10倍光學放大倍率為主。圖3-20所示為顯微放大鏡頭。圖3-20顯微放大鏡頭

3.4遠心鏡頭

遠心鏡頭主要是為糾正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭視差而設計,它可以在一定的物距范圍內使得到的圖像放大倍率不發(fā)生變化,這非常適用于被測物不在同一物面上的情況。遠心鏡頭由于其特有的平行光路設計,一直為對鏡頭畸變要求很高的機器視覺應用場合所青睞,如圖3-21所示。圖3-21遠心鏡頭

3.4.1遠心鏡頭的成像原理

遠心是指鏡頭成像的一種原理特性,主要分為物方遠心、像方遠心、物像雙側遠心三類。從圖3-22、圖3-23中可以看出,經過光學系統(tǒng)中心的是光軸,系統(tǒng)的左側是物方,右側是像方。物方遠心,顧名思義,只是物方主光線與光軸平行;像方遠心只是像方主光線與光軸平行;雙側遠心則是物方和像方主光線均與光軸平行。圖3-22物方遠心、像方遠心原理圖圖3-23-雙側遠心原理圖

3.4.2遠心鏡頭的優(yōu)勢

鏡頭是機器視覺檢測系統(tǒng)中必不可少的一個組件,但是在使用普通的光學鏡頭檢測時,由于畸變、視差等缺陷的限制,很多檢測需求都不能一步到位。

1.極低的遠心度

遠心度是描述主光線偏離于光軸的角度,單位為度(°),如圖3-24所示。圖3-24遠心度示意圖

圖3-25(a)所示為玻璃鏡片樣品,需要提取鏡片表面輪廓曲率,其本身的玻璃材質具有透光反光性。用普通工業(yè)鏡頭拍攝效果如圖3-25(b)所示,普通工業(yè)鏡頭有一定的視場角,光線在其表面會有部分透射和反射,輪廓提取不清晰。因為遠心鏡頭的遠心度低,“非平行光”不能通過玻璃鏡片樣品,所以可以很清晰地看到玻璃樣品呈暗色,周邊區(qū)域呈亮色,暗亮區(qū)域過渡分明,邊緣提取很容易。圖3-25玻璃鏡片拍攝效果對比

2.無視差

如果鏡頭有視差,在測量立體結構工件時會導致邊界不清晰,干擾尺寸邊界的提取,增大測量誤差。遠心鏡頭成像的只有與光軸保持平行的部分光線,所以在測量時只要保證被測量的面與光軸保持垂直,就可以確保拍攝時只有這部分光線能夠入射成像,確保成像時不產生視差,讓輪廓邊界都能夠清晰成像,方便后續(xù)的圖像處理,極大地提高了測量的精度。

圖3-26(a)所示是一款齒輪樣品,用定焦鏡頭拍攝時中心圓孔和外側的齒輪上都有視差存在,使被測物的側面也有部分成像,從而影響其邊界的提取,圖3-26(b)所示為定焦鏡頭拍攝效果;使用遠心鏡頭拍攝則可以消除此影響,如圖3-26(c)所示,使用遠心鏡頭拍攝時只要確保被測面與光軸垂直,就可以避免視差出現(xiàn)。圖3-26齒輪拍攝效果對比

3.超大的景深

景深是物體在容許對焦情況下的最近位置與最遠位置之間的范圍,遠心鏡頭擁有超大的景深,景深越大的鏡頭能測量的物體的縱向深度也越大。

圖3-27(a)所示為彈簧樣品,用普通的工業(yè)鏡頭拍攝的圖片如圖3-27(b)所示,彈簧靠近鏡頭的部分成像效果較好,邊界清晰,但是在彈簧兩側有反光,離鏡頭較遠的一側成像模糊,無法對整個彈簧都成清晰的像;圖3-27(c)所示是雙遠心鏡頭拍攝的該彈簧的圖片,彈簧靠近鏡頭和遠離鏡頭的部分都能成清晰的像,且彈簧表面還沒有反光的干擾,整個彈簧的邊界都清晰可見。圖3-27彈簧拍攝效果

4.恒定的放大倍率

普通工業(yè)鏡頭在成像時相同大小的物體放在遠處所成的像總是比在近處所成的像要小,即人們常說的“近大遠小”現(xiàn)象,這種現(xiàn)象使相同大小的物體在不同物距時成像的大小不同,對于測量而言極不方便。遠心鏡頭恒定的放大倍率讓遠心鏡頭比普通機器視覺鏡頭更適合用于尺寸測量,不會出現(xiàn)“近大遠小”的現(xiàn)象。

圖3-28(a)所示為擺放的兩顆相同規(guī)格的螺絲,兩顆螺絲前后位置擺放,對兩顆螺絲的外徑進行檢測。用定焦鏡頭拍攝的效果如圖3-28(b)所示,兩顆螺絲成像的清晰程度不同、

大小也不一樣,無法同時得到這兩顆螺絲準確的外徑數(shù)據(jù)。使用遠心鏡頭拍攝效果如圖3-28(c)所示,兩顆螺絲成像效果都很好,邊界分明,且大小一致,能夠同時得到這兩顆螺絲的外

徑數(shù)據(jù)。圖3-28螺絲拍攝效果

5.近乎“0”畸變

理想的光學鏡頭在成像過程中只會改變大小,不會影響其幾何性質。但實際上,光學鏡頭成像時都會存在一定的畸變?；儾⒉挥绊懗上褓|量,但是會使圖像變形失真。如果

一個鏡頭畸變較大,那么同一個物體在這個鏡頭中心和視場邊緣所成的像大小會有差異?；冸S著視場位置不同而無規(guī)則變化,不同位置的測量結果都不同,這會給檢測帶來很大的誤差,干擾測量結果。

6.解析度高

遠心鏡頭不光有以上幾個特點,相比普通鏡頭,其解析能力也更高。鏡頭的解析力就是分辨被拍攝物體細節(jié)的分辨能力,越高的解析能力代表著鏡頭能夠分辨越小的細節(jié)。所以遠心鏡頭可以看到普通工業(yè)鏡頭看不到的、更加細微的部分,對于很多細小的瑕疵檢測、尺寸測量,遠心鏡頭都有著良好的表現(xiàn)。

圖3-29所示為手機LOGO樣品表面缺陷檢測,表面缺陷有劃傷、碰壓傷、麻點、白點等。圖3-29手機LOGO拍攝效果

3.4.3-遠心鏡頭的適用場合

遠心鏡頭大多用于需要超高解像力、“無”光學畸變和透視畸變以及需要穩(wěn)定、清晰的“邊緣過渡帶”的應用。因此,遠心鏡頭一般會在以下情況下被選擇:

(1)對景深有嚴格要求。

(2)對放大倍率的一致性有嚴格要求。

(3)對極限解析能力有嚴格要求。

(4)對光學畸變有嚴格要求。

(5)對圖像中每一個像素的有效性有嚴格要求。

3.5工業(yè)鏡頭的選型

工業(yè)鏡頭選型時需要考慮以下幾個方面。

1.工作距離的確認選擇工業(yè)鏡頭時需查看現(xiàn)場有無機構限制工作距離,鏡頭與被測物之間是否要加光源或者其他運動機構。

2.視野的確認

根據(jù)被測物的尺寸或數(shù)量確定視野范圍(拍全或者拍局部)。由于相機芯片大多是4∶3或者其他比例的長方形,拍攝正方形或者圓形時,一定要以高度方向為準。同時,在精度方

面需要注意:①在將被測物拍全的情況下,通過精度要求計算相機分辨率,看是否有滿足的相機;②選擇面陣分辨率相對較大的相機作為參考計算(如500萬),看是否可以達到精度要求,達不到可以選擇選擇更大分辨率的相機或者減小視野