如何挑选工业镜头？

如何挑选工业镜头？

随着人类生活需求的不断提高和科学技术的探索和追求，机器视觉在工业测试、药物测试、全过程监测和安全监测、高精度测量、识别和定位等工业自动化领域实现了应用。工业镜头与工业相机的结合，大大提高了工业制造的效率和效果。工业镜头是机器视觉领域的眼睛。从检测对象开始，就一直扮演着眼睛的角色，工业镜头是一种高性能、高分辨率的镜头，超低失真设计技术降低了失真率，能够更真实地反映图像效果，因为失真技术可以有效地减少镜头的反射损耗，减少眩光，增加对比度，有效地提高色彩还原性，提高图像的清晰度。

工业镜头根据检测要求和测量物体的不同分为长焦、短焦、变焦镜头；根据镜头的倍率来分，又可以分为定倍镜头、手动变倍、手动微调、定格定倍变倍、电动变倍镜头；根据分辨率的不同又可以分为五百万像素、一千像素镜头。还有一种镜头采用的了独有的平行光路设计技术，具有高分辨率、大景深、低畸变的特点。此类镜头就是远心镜头，满足了机器视觉中对镜头畸变的高要求。

工业相机镜头的选择过程，是将工业相机镜头各项参数逐步明确化的过程。作为成像器件，工业相机镜头通常与光源、相机一起构成一个完整的图像采集系统，因此工业相机镜头的选择受到整个系统要求的制约。一般地可以按以下几个方面来进行分析考虑。

在整个机器视觉系统中，机器视觉镜头是图像采集部分的重要成像部件。因为受到整个系统的制约，所以机器视觉镜头选型的正确与否直接影响着整个机器视觉系统。下面普密斯光学视觉系统供应商结合多年的客户实际案例，从以下几个方面来分析下机器视觉镜头选型要点：

一、客户特殊要求

一般要首选考虑客户对机器视觉镜头的特殊要求，比如：在机器视觉镜头与工件之前有没有加入其它器件（透镜、反光镜片、玻璃）、机器视觉镜头的工作环境等。

主要有以下几点需要先确认：

1、对安装空间有限制要求的：机器视觉镜头的大小、长度及其他参数；

2、固定相机悬挂镜头：比如，有些相机悬挂不了比较重的机器视觉镜头；

3、摄像系统需要运动：速度过快的话，因为惯性，摄像系统有可能会偏移；

4、对光谱响应有特殊要求的：比如，对于紫外环境，普通的玻璃镜头会吸收几乎所有紫外光；

5、是否需要在机器视觉镜头上加光源：根据场景环境，对于需要增加亮度的，则要添加光源。如果是同轴镜头的话，可以安装点光源；

6、价格要求；

7、机器视觉镜头的工作环境；

8、是否有其他特殊构件；

二、是否需要用远心镜头

对于精密测量系统需要选用远心镜头。远心镜头最主要的功能就是克服透视相差（成像时由于距离不同而造成的放大倍数不一致现象）的影响，使得检测目标在一定范围内运动时得到的尺寸数据几乎不变。一般情况下，远心镜头都是固定焦距和工作距离的，而且有些远心镜头的体积很大，有的重量会超过十斤，需要详细了解客户对视场大小、工作距离、空间限制、和运动控制的要求，之后才能确定需要的镜头型号规格。一般的表面缺陷检测、有无判断等对物体成像没有严格要求时，选用畸变小的远心镜头。

三、机器视觉镜头的景深

有些特殊要求的视觉系统需要景深比较大的镜头。例如，有些检测或测量中必须必须将工业相机成一定角度且要求整个物体成像清晰；被测目标不在同一个平面上，这就需要考虑镜头的景深。

焦距越短，景深越大；光圈越小，景深越大；镜头离物体的距离越远，景深越大；小光圈和良好的光线使聚焦更简单，但是小光圈会丧失物体的精细结构。相机芯片像元越大景深越大。

四、机器视觉镜头的芯片尺寸

每种机器视觉镜头都只能兼容芯片不超过一定尺寸的相机。因此选择机器视觉镜头时一定要先确定工业相机的芯片尺寸，镜头的像面大小要与相机感光面大小兼容，遵循“大的兼容小的”原则——相机感光面不能超出镜头标示的像面尺寸——否则边缘视场的像质不保。像质的要求主要关注MTF和畸变两项。

五、机器视觉镜头的接口

工业相机镜头的光圈主要影响像面的亮度。但是现在的机器视觉中，最终的图像亮度是由很多因素共同决定的：光圈、相机增益、积分时间、光源等等。所以为了获得必要的图像亮度有比较多的环节供调整。
工业相机镜头的接口指它与相机的连接接口，它们两者需匹配，不能直接匹配就需考虑转接。
机器视觉镜头接口和相机接口都分为C、CS、F和其他更大尺寸的接口类型。相机和镜头是互补的，即C接口的相机只能用C接口的镜头。

六、机器视觉镜头的焦距

镜头的焦距主要对视场、工作距离有较大影响。在确定机器视觉镜头焦距之前必须先确定视场、工作距离、相机芯片尺寸等因素。

工作距离和焦距往往结合起来考虑。一般地，可以采用这个思路：先明确系统的分辨率，结合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离，进一步估算工业相机镜头的焦距。所以工业相机镜头的焦距是和工业相机镜头的工作距离、系统分辨率（及CCD像素尺寸）相关的。

七、机器视觉镜头的畸变

畸变是视野中局部放大倍数不一致造成的图像扭曲。由于受制作工艺的影响，镜头畸变是不可避免的，镜头越好畸变越小。一般在精密测量系统等精度要求高的情况下，必须考虑机器视觉镜头的畸变。

八、成本和技术成熟度

如果以上因素考虑完之后有多项方案都能满足要求，则可以考虑成本和技术成熟度，进行权衡择优选取。

例子：

例如，要给硬币检测成像系统选配工业相机镜头，约束条件：相机CCD 2/3英寸，像素尺寸4.65μm，C口。工作距离大于200mm，系统分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。

基本分析如下：  

1. 与白色LED光源配合使用的，镜头应该是可见光波段。没有变焦要求，选择定焦镜头就可以了。  

2. 用于工业检测，其中带有测量功能，所以所选镜头的畸变要求小。 

3. 工作距离和焦距 

成像的放大率M=4.65/（0.05x1000）=0.093 

焦距f’=L*M/（M+1）=200*0.093/1.093=17mm  

物距要求大于200mm，则选择的镜头要求焦距应该大于17mm。 

4. 选择镜头的像面应该不小于CCD尺寸，即至少2/3 英寸。 

5. 镜头的接口要求是C口，能配合相机使用。光圈暂无要求。 

从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的“轮廓”：焦距大于17mm，定焦，可见光波段，C口，至少能配合2/3英寸CCD使用，而且成像畸变要小。按照这些要求，可以进一步的挑选，如果多款镜头都能符合这些要求，可以择优选用。

参考文献

如何挑选工业镜头？
机器视觉镜头选型要点