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常识进行讲解。

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:

  1. 拍摄
    按下快门,拍摄图像。
  2. 传送
    将图像数据由照相机传送到控制器。
  3. 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。
  4. 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

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,先容有关拍摄的常识。

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

无论所用的控制器性能多强,都无法检测出左图中的微小污点。
如果具备正确的常识,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,拍摄是最重要的环节。
要实施高精度的稳定检测,下面3点最为重要。

  • 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

镜头的基础常识及选择方法

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。下面将只先容最常用的“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。在不需要近摄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: 使用延伸环或微距镜头时,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。
小光圈时的图像(CA-LH25)
大光圈时的图像(CA-LH25)

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

下图是使用本企业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 高分辨率镜头 : 损伤等级 54 / CV-L16 标准镜头 : 损伤等级 38
24 万像素 CCD 与 200 万像素 CCD 的比较

下图所示是采用本企业生产的 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。

放大图像的比较

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。表示失真度的数值(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。

桶形失真
枕形失真

镜头选择基础和视觉系统 总结

拍摄图像的质量是视觉系统的基础。在了解了选择镜头的基础常识后,可以拍摄出:

  1. 视野适宜,
  2. 图像整体聚焦良好,
  3. 亮度、目标物和背景对比度俱佳的清晰图像。

下一讲的主题是先容选择照明。与镜头一样,照明也是影响视觉系统的检查效果的重要因素。

对如何选择正确照明的要点进行说明。

意见及咨询请点击此处

4007-367-367

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