機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)者如何選擇合適的鏡頭？

為了實(shí)現(xiàn)具有成本效益的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)人員必須從眾多可用的鏡頭中選擇最合適的產(chǎn)品。

對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，由于市場(chǎng)上存在諸多不同類(lèi)型、不同分辨率和不同圖像失真特性的鏡頭產(chǎn)品可供選擇，因此針對(duì)某一特定應(yīng)用，在選擇鏡頭時(shí)進(jìn)行性價(jià)比權(quán)衡，變得更加復(fù)雜。

定焦鏡頭由于成本低廉，仍然是許多機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的中流砥柱；同時(shí)市場(chǎng)上也存在著其他諸多鏡頭選擇，包括變焦距、縮放、遠(yuǎn)心、360°光學(xué)和液體等鏡頭產(chǎn)品，每種鏡頭都在滿足特定應(yīng)用方面具有自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

確定焦距

在選擇任何特定的鏡頭之前，必須確定其焦距。焦距的選擇取決于成像缺陷所要求的分辨率、被成像物體的大小以及物體與相機(jī)的距離。這里所說(shuō)的焦距，是指鏡頭的光心和相機(jī)的圖像傳感器之間的距離。

通過(guò)改變鏡頭的焦距，可以獲得不同大小的視場(chǎng)（FOV）。選擇鏡頭的正確焦距，取決于物體距相機(jī)/鏡頭系統(tǒng)的工作距離、所要求的視場(chǎng)和圖像傳感器的尺寸，鏡頭的焦距可由以下公式確定：

焦距=放大倍數(shù)×工作距離/（1+放大倍數(shù)）

其中，放大倍數(shù)= 傳感器尺寸/FOV。

因此，對(duì)于相同的工作距離，傳感器尺寸越大，產(chǎn)生的視場(chǎng)也越大。例如，荷蘭Adimec公司的Opal-2000相機(jī)的傳感器尺寸為2/3英寸，對(duì)于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(shí)，鏡頭的分辨率必須要與相機(jī)圖像傳感器的特性相匹配。因此，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員必須要在相機(jī)和鏡頭之間進(jìn)行仔細(xì)地匹配。

要做到這一點(diǎn)，必須要了解相機(jī)中使用的圖像傳感器的特性。相機(jī)的分辨率取決于圖像傳感器的像素尺寸，其可以按照線對(duì)/mm（lp/mm）的方式計(jì)算如下：

1000（lp/mm）/2×像素尺寸（μm）

因此，基于CMOSIS公司（現(xiàn)為AMS Sensors）CMV20000圖像傳感器的相機(jī)，像素尺寸為6.4μm×6.4μm，圖像傳感器的最大分辨率為78.125 lp/mm。

為給該相機(jī)配備一款鏡頭，開(kāi)發(fā)者需要研究不同鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。MTF可以衡量鏡頭“以特定分辨率將對(duì)比度從物體傳輸?shù)綀D像的”能力。在Edmund Optics公司網(wǎng)站上（edmundoptics.com）發(fā)布的一個(gè)例子中，Sony公司的ICX625傳感器大小為2/3英寸，像素尺寸為3.45μm，最大分辨率為145lp/mm，配備焦距12mm的鏡頭（見(jiàn)圖1）。在這里，理論上可能獲得的最大對(duì)比度接近70％（在150 lp/mm時(shí)），尚沒(méi)有鏡頭設(shè)計(jì)可以達(dá)到更高的水平。因此，將高性能的百萬(wàn)像素級(jí)相機(jī)與分辨率差的鏡頭相匹配、或是為低端相機(jī)配備高性能鏡頭，都會(huì)導(dǎo)致最終獲得低對(duì)比度的圖像。

圖1：索尼的2/3英寸IXC625傳感器，像素尺寸為3.45μm，最大分辨率為145lp/mm，配備焦距12mm的鏡頭，理論上可獲得的最大對(duì)比度為70％（在150 lp/mm時(shí)）。

定焦or變焦？

定焦鏡頭因?yàn)槭褂酶俚墓鈱W(xué)元件、具有低光學(xué)失真和相對(duì)便宜等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中被廣泛使用。然而，在某些應(yīng)用中，可能需要改變視場(chǎng)，特別是系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能會(huì)隨時(shí)間而改變的情況，或是系統(tǒng)集成商需要為某一應(yīng)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。不同于縮放鏡頭（zoom）在焦距改變時(shí)保持焦點(diǎn)位置不變，變焦距鏡頭需要重新對(duì)焦，同時(shí)允許對(duì)不同的視場(chǎng)進(jìn)行成像。

CBC/Computar公司的Pete Kepf在他的白皮書(shū)《選擇機(jī)器視覺(jué)鏡頭的七大重要因素Seven Important Factors When Selecting a Machine Vision Lens》中指出，對(duì)于給定的工作距離，變焦鏡頭通過(guò)調(diào)節(jié)改變放大率和視場(chǎng)，并且通常會(huì)調(diào)節(jié)鏡頭的光圈、焦距和焦點(diǎn)。與定焦鏡頭不同，變焦鏡頭會(huì)指定焦距范圍，如3.5~8mm或6.5~52mm，這意味著鏡頭的焦距可以在這些范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

相比于定焦鏡頭，變焦鏡頭更為昂貴，因?yàn)樗鼈冃枰獊?lái)回滑動(dòng)的中間組件或后部組件、以及一個(gè)單獨(dú)的前部單元焦點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。加拿大相機(jī)供應(yīng)商Lumenera公司在《為視覺(jué)系統(tǒng)選擇鏡頭Selecting a Lens for a Vision System》一文中指出，如果系統(tǒng)中使用的相機(jī)事先已經(jīng)選定，那么明智的做法是：考慮購(gòu)買(mǎi)便宜（低質(zhì)量）的變焦鏡頭來(lái)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(shí)保持焦點(diǎn)位置不變。雖然許多公司使用縮放鏡頭這一術(shù)語(yǔ)來(lái)描述他們的產(chǎn)品，但其中許多產(chǎn)品實(shí)際上是需要手動(dòng)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(wǎng)站上被列為縮放鏡頭。然而，它實(shí)際上是一個(gè)變焦鏡頭，因?yàn)樗哂幸粋€(gè)可變的焦點(diǎn)設(shè)置機(jī)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(dòng)縮放鏡頭，用于對(duì)直徑超過(guò)1英寸的物體進(jìn)行成像，在其縮放范圍內(nèi)是齊焦的，因此所捕獲的圖像在縮放范圍內(nèi)保持在焦平面上，并不需要手動(dòng)重新聚焦。

放大

盡管縮放鏡頭在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中并不常見(jiàn)，但這類(lèi)鏡頭常常被用于顯微成像等應(yīng)用中，以提供手動(dòng)或電機(jī)控制的圖像放大。通過(guò)使用這種縮放鏡頭，操作人員無(wú)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(gè)鏡頭盤(pán)上安裝多種類(lèi)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(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化，從而系統(tǒng)可以被編程，進(jìn)而無(wú)需更換鏡頭或旋轉(zhuǎn)鏡頭盤(pán)，就能在低放大率下觀察整個(gè)場(chǎng)景、并放大特定細(xì)節(jié)。

這種縮放鏡頭既可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)調(diào)節(jié)。例如，Excelitas Technologies公司的Fetura鏡頭，就在設(shè)計(jì)中使用兩個(gè)直流電機(jī)沿一條直線軸驅(qū)動(dòng)變倍鏡頭和補(bǔ)償鏡頭。當(dāng)變倍鏡頭改變圖像的放大倍數(shù)時(shí)，補(bǔ)償鏡頭補(bǔ)償圖像的位移，以使被觀察的物體位于焦平面上。

由于這種鏡頭通過(guò)移動(dòng)鏡頭元件來(lái)改變其焦距，因此那些要求機(jī)械性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確和可重復(fù)測(cè)量的開(kāi)發(fā)者，過(guò)去一直對(duì)這種鏡頭不予青睞。Excelitas Technologies公司自2008年推出這類(lèi)鏡頭以來(lái)，目前已經(jīng)在其Fetura+產(chǎn)品中改進(jìn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在縮放方面進(jìn)行了無(wú)限校正，在視場(chǎng)邊緣附近增加了改善的聚焦重復(fù)性和改善的光學(xué)性能，并能與該公司的Optem Fusion鏡頭系統(tǒng)配件相兼容。

遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)

對(duì)于傳統(tǒng)鏡頭，物體距離相機(jī)越近，圖像看起來(lái)越大；物體距離相機(jī)越遠(yuǎn)，圖像看起來(lái)越小。這在高精度測(cè)量應(yīng)用中是一個(gè)不利因素，因?yàn)閳D像處理軟件將根據(jù)所捕獲的圖像來(lái)測(cè)量零件的參數(shù)。為了克服這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員可以使用遠(yuǎn)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(wú)關(guān)。

一個(gè)物體能夠在多大的范圍內(nèi)移動(dòng)、并且其成像后仍然看起來(lái)大小相同，這個(gè)距離稱(chēng)為放大景深。放大景深與圖像清晰度景深不同，后者是我們通常所理解的景深。

相比于傳統(tǒng)鏡頭，遠(yuǎn)心鏡頭通常體積較大且比較昂貴，因?yàn)樗枰^多的鏡頭元件，并且鏡頭需要與被成像的物體一樣大。目前市場(chǎng)上有三種類(lèi)型的遠(yuǎn)心鏡頭——物方遠(yuǎn)心鏡頭、像方遠(yuǎn)心鏡頭和雙遠(yuǎn)心鏡頭。

雖然許多制造商都提供這三種類(lèi)型的遠(yuǎn)心鏡頭，但是像方遠(yuǎn)心鏡頭更常用于圖像投影設(shè)備中，在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的應(yīng)用較為少見(jiàn)。例如在光刻系統(tǒng)中，投影鏡頭是典型的像方遠(yuǎn)心鏡頭，用于將光刻掩模成像到硅晶片上。這種像方遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)點(diǎn)是，它們能在視場(chǎng)范圍內(nèi)提供均勻的光透射。

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，最常用的遠(yuǎn)心鏡頭是物方遠(yuǎn)心鏡頭和雙遠(yuǎn)心透鏡。物方遠(yuǎn)心鏡頭比雙遠(yuǎn)心鏡頭需要更少的鏡頭元件，因此也更加便宜。

物方遠(yuǎn)心透鏡在物體側(cè)是遠(yuǎn)心的；而雙遠(yuǎn)心鏡頭在物體側(cè)和成像側(cè)都是遠(yuǎn)心的，即使在相機(jī)內(nèi)的成像器不能保證總是處于光路中的精確位置的情況下，雙遠(yuǎn)心鏡頭也能提供恒定的放大率。這種雙遠(yuǎn)心鏡頭經(jīng)常與準(zhǔn)直背光照明器一起使用，以保證高對(duì)比度圖像，從而實(shí)現(xiàn)精確的圖像測(cè)量。

Thorlabs公司的遠(yuǎn)心鏡頭均采用雙遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)。圖2中顯示了兩個(gè)螺釘?shù)膱D像，左圖是使用該公司的MVL7000傳統(tǒng)鏡頭成像的，可以看出這幅圖像將導(dǎo)致不正確的高度測(cè)量；右圖是使用該公司的MVTC23013 0.128x雙遠(yuǎn)心鏡頭成像的，從圖像上看兩個(gè)螺釘大小相同，并且處在同一平面上，但實(shí)際上它們沿光軸被分開(kāi)45mm?？梢钥闯觯褂秒p遠(yuǎn)心鏡頭能實(shí)現(xiàn)更精確的圖像測(cè)量。

圖2：左圖為使用傳統(tǒng)鏡頭成像，這幅圖像將導(dǎo)致不正確的高度測(cè)量；右圖是使用雙遠(yuǎn)心鏡頭成像的，圖像大小相同，能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

降低相機(jī)成本

對(duì)于飲料、制藥和化妝品檢測(cè)等應(yīng)用，必須在零件沿傳送帶高速移動(dòng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行高速檢測(cè)。要做到這一點(diǎn)，必須建立一套能對(duì)物體的側(cè)面、頂部甚至容器內(nèi)部成像的系統(tǒng)，以探測(cè)缺陷。當(dāng)然，完成這項(xiàng)任務(wù)也有許多不同的方法。

使用多臺(tái)相機(jī)成像物體的頂部和側(cè)面，可以完成這個(gè)任務(wù)。在這里，可以使用多臺(tái)相機(jī)、安裝支架和軟件校準(zhǔn)程序?；蛘撸矬w可以圍繞單臺(tái)線陣相機(jī)或面陣相機(jī)的視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，以捕獲物體的360°全方位圖像。這種方法需要更加復(fù)雜的機(jī)械工程，因?yàn)樵谕瓿珊细?不合格判定之前，物體必須執(zhí)行停止、旋轉(zhuǎn)和檢測(cè)等工序。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，可以使用pericentric或catadioptric鏡頭。不同于傳統(tǒng)鏡頭或遠(yuǎn)心鏡頭，pericentric鏡頭被設(shè)計(jì)成使得光線朝著被成像的物體會(huì)聚。在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中使用這樣的鏡頭，以便能同時(shí)觀察物體的頂部和側(cè)面，從而減少了所需的相機(jī)和鏡頭的數(shù)量，同時(shí)也消除了多相機(jī)校準(zhǔn)的復(fù)雜性。

《用單鏡頭系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物體的全景檢測(cè)Panoramic inspection of objects with single lens systems》演講中，介紹了這種單鏡頭系統(tǒng)是如何對(duì)圓柱容器進(jìn)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(lái)獲得相同的效果（見(jiàn)圖3）。

圖3：由于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(shí)對(duì)產(chǎn)品的頂部和側(cè)面進(jìn)行成像，從而減小這種鏡頭的尺寸和重量。

電動(dòng)調(diào)焦

雖然傳統(tǒng)鏡頭可以用來(lái)對(duì)距離相機(jī)不同距離的物體成像，但是如果高度不同的物體出現(xiàn)在成像系統(tǒng)中，鏡頭將需要重新聚焦。雖然可以在自動(dòng)化生產(chǎn)線上進(jìn)行手動(dòng)調(diào)焦，但這需要針對(duì)不同的焦距重新設(shè)置相機(jī)。手動(dòng)調(diào)節(jié)一方面會(huì)需要調(diào)節(jié)時(shí)間，導(dǎo)致停機(jī)時(shí)間增加；另一方面，若相機(jī)和鏡頭安裝在設(shè)備上難以達(dá)到的區(qū)域，那么手動(dòng)調(diào)節(jié)工作也會(huì)非常困難。

然而，使用電動(dòng)聚焦可調(diào)鏡頭，這項(xiàng)任務(wù)可以在幾毫秒內(nèi)自動(dòng)完成（見(jiàn)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(shù)Understanding liquid lens technology》中，介紹了如何使用Optotune公司的焦點(diǎn)可調(diào)鏡頭克服了傳統(tǒng)鏡頭的景深限制。

圖4：雖然傳統(tǒng)鏡頭可以對(duì)距相機(jī)不同距離的物體進(jìn)行成像，但當(dāng)不同高度的物體出現(xiàn)在成像系統(tǒng)中時(shí)，鏡頭需要重新聚焦。使用電動(dòng)焦距可調(diào)鏡頭，可以在幾毫秒內(nèi)自動(dòng)完成這項(xiàng)任務(wù)。

盡管目前可用的鏡頭能夠滿足許多機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的需求，但是更專(zhuān)業(yè)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可能需要定制的鏡頭和涂層。幸運(yùn)的是，許多具有內(nèi)部生產(chǎn)能力的鏡頭制造商，已經(jīng)準(zhǔn)備好定制鏡頭來(lái)滿足這些應(yīng)用需求。當(dāng)然，這些定制鏡頭會(huì)比較昂貴，因此它們通常僅用于那些對(duì)成本不敏感的特定成像系統(tǒng)中（例如軍事應(yīng)用），或是大批量消費(fèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)線中。

審核編輯 ：李倩