对于每个机器视觉系统应用,光学系统对整个图像的质量、准确性、速度和重复性都至关重要。构建机器视觉系统时,必须考虑应用、分辨率、照明、景深、视场、处理速度和其他要素。但是,构建的系统往往无法达到性能预期,或者使用了指定条件过多的组件。这两种缺陷都需要付出高昂的代价,因为由于指定条件不足而出现故障的系统必须重新设计,而指定条件过多的系统包含高价格组件。 
  视觉系统从图像中提取必要的信息,因此应用将决定所需的图像质量。而机器视觉系统成像能力是由组件成像能力决定的。每个视觉系统都需要照明、镜头、相机以及计算机来分析图像。应该选择适合应用且相互补充的组件,避免对系统的某些部件指定过多质量条件。 
  要为应用选择适当的镜头,需要了解多种参数和概念。这些概念包括视场、工作距离、分辨率、对比度、远心度等。 
        视场 
  视场是被观察物体的可视区域。换句话说,就是整个物体中填充相机传感器的部分。视场可以采用多种形式指定:对于缩放或变焦镜头,可以使用范围的形式来指定(如10~50mm);对于工作距离较广的镜头,可以指定为一个角度规格(如25°);对于固定放大倍率镜头,可以指定为一个固定数值(如25mm)。但是,如果使用了不同尺寸的成像阵列,所有这些规格都会发生变化。 
  市场上有许多不同尺寸的阵列。要选择合适的镜头,就必须了解阵列的实际尺寸。阵列变大,视场也会随之增大;反之,传感器变小,视场也会随之减小。通过镜头的放大倍率,可以指定相应的视场以顾及不同的成像器幅面。镜头的放大倍率是系统的主要放大倍率,被称为主要放大倍率。 
    主要放大倍率 
  主要放大倍率描述了可以在特定传感器阵列中看到的物体范围,其计算方式为:主要放大倍率=传感器尺寸/视场或视场=传感器尺寸/主要放大倍率。 
   最后,需要寻找与所选相机配合使用时能满足视场需求的镜头。通过为这一公式求解,可以了解需要哪种放大倍率的镜头,或者放大倍率或传感器尺寸变化后可以获得多大的视场。此外,还必须了解传感器尺寸(也称为芯片或传感器幅面)才能使用这些公式。例如,所需视场=12.8mm、水平传感器尺寸=6.4mm时,主要放大倍率=6.4mm/12.8mm,主要放大倍率=0.5X。 
   每个镜头都会产生一个主要放大倍率或主要放大倍率范围,这不受所使用传感器的尺寸影响,因为主要放大倍率是镜头的一种属性。需要注意的是,如果镜头的焦距接近无穷远,则其主要放大倍率接近于零。在这些情况下,使用视场角值可以更加轻松地确定视场。  

   图1:主要放大倍率是镜头的一项属性,描述了可以在特定传感器阵列中看到的物体范围。通过镜头的放大倍率,可以指定相应的视场以顾及不同的成像器幅面。 
   工作距离 
   工作距离是指从镜头前端到被观察物体之间的距离。一些镜头(如物镜)具有固定的工作距离,但也有许多镜头的工作距离是在特定范围内的。尽管工作距离可能是需要指定的参数中最简单的一个,但在确定适合应用的最佳工作距离时,仍然必须考虑一些细节。总的来说,在考虑工作距离时,系统尺寸、移动部件、飞扬的碎屑以及照明等各方面都必须列入考量范畴。此外,镜头系统的放大倍率越高,工作距离就越长。如果需要在工作距离较长时达到较高的放大倍率,系统尺寸可以进一步增加。  

    图2:工作距离是指从镜头前端到被观察物体之间的距离。分辨率是被观察物体的最小特征尺寸。镜头的景深是镜头在物体位置靠近或远离最佳焦点时,保持所需图像质量的能力。 
     分辨率 
   分辨率是被观察物体的最小特征尺寸。通过分析分辨率和对比度之间的关系,可以了解极为实用的调制传递函数。分辨率是对成像系统再现物体细节能力的测量。例如,假设一个白色背景上有一对黑色方形。如果这两个方形在邻近的像素上成像,则会在图像中显示为一个大的黑色矩形。为了加以区分,这两个方形之间需要留出一定的空间。只要找出看见两个方形所需的最小距离即可了解系统的分辨率极限。交替的黑白方形之间的关系通常被描述为线对。

 

    图3:条状目标由不同频率的线对组成,而星标则由具有连续频率的楔形组成。条状目标中的正交线非常有用,因为通过图像中x和y平面中所显示不同的误差,用户能成功地测试出系统是否存在误差(散光误差)。条状目标受到有限的频率等级限制。星标没有这一缺陷,但它们的解译难度更高。 
     对比度 
    镜头对比度通常以再现物体的对比度百分比来定义。图像的分辨率和对比度可以单独定义,但同时也密切相关。实际上,没有指定特定对比度的分辨率往往毫无意义。同样地,对比度也取决于分辨率频率。  

   图4:对比度并不是常量,它取决于频率。图中上方的圆点可以通过镜头成像。它们略微模糊。如果斑点进一步移近,模糊部分将重叠,且对比度下降。斑点靠近到足以使对比度达到极限的距离时,其间距即为分辨率。 
    景深 
  镜头的景深是镜头在物体位置靠近或远离最佳焦点时,保持所需图像质量的能力。景深也适用于具有一定深度的物体,因为高景深的镜头可以清晰呈现整个物体的图像。当物体放置得过近或过远而偏离工作距离时,镜头就会失焦,分辨率和对比度也都会受到影响。因此,只有同时定义了关联分辨率和对比度的景深才有意义。 
    畸变 
   畸变是一种几何光学误差(像差)。在畸变中,有关物体的信息只是在图像中发生了错位,而非真正丢失。畸变可能具有几种不同的形式:一种是单向畸变,也就是从图像中心向边缘偏移的一致性正/负畸变。单向畸变具有两种形式:桶形(负)和枕形(正)。 
    最后,尽管要构建一个完整的机器视觉系统,但必须了解其中的每个元件才能达到理想效果。所使用的光学元件可以显著影响整个图像的质量,确保准确性和重复性,并且提高系统的总体速度。应用成功的基础是完全承认没有哪个镜头可以解决所有应用问题。