對于每個視覺系統應用，光學系統對整個圖像的質量、準確性、速度和重復性都至關重要。

 

構建視覺系統時，必須考慮應用、分辨率、照明、景深(DOF)、視場(FOV)、處理速度和其他要素。但是，構建的系統往往無法達到性能預期，或者使用了指定條件過多的組件。這兩種缺陷都需要付出高昂的代價，因為由于指定條件不足而出現故障的系統必須重新設計；指定條件過多的系統包含高價格組件。

 

視覺系統從圖像中提取必要的信息，因此應用將決定所需的圖像質量。

 

系統成像能力是由組件成像能力決定的。每個視覺系統都需要照明、鏡頭、相機以及監視器或計算機/捕獲板來分析圖像。用戶應該選擇適合應用且相互補充的組件。避免對系統的某些部件指定過多質量條件，可以確保所有組件的價格不超出項目預算。

 

要為應用選擇適當的鏡頭，需要了解多種參數和概念。這些概念包括視場、工作距離、分辨率、對比度、遠心度和照明衰減等。

 

視場

視場(FOV)是被觀察物體的可視區域。換句話說，就是整個物體中填充相機傳感器的部分。FOV可以采用多種形式指定：對于縮放或變焦鏡頭，可以使用范圍的形式來指定（如10~50mm）；對于工作距離較廣的鏡頭，可以指定為一個角度規格（如25°）；對于固定放大倍率鏡頭，可以指定為一個固定數值（如25mm）。但是，如果使用了不同尺寸的成像陣列，所有這些規格都會發生變化。

 

請記住，市場上有許多不同尺寸的陣列。要為您的應用選擇合適的鏡頭，就必須了解陣列的實際尺寸。陣列變大，FOV也會隨之增大；反之，傳感器變小，FOV也會隨之減小。通過鏡頭的放大倍率，可以指定相應的FOV以顧及不同的成像器幅面。鏡頭的放大倍率是系統的主要放大倍率，被稱為PMAG。

 

主要放大倍率

主要放大倍率(PMAG)描述了可以在特定傳感器陣列中看到的物體范圍，其計算方式為：

 

PMAG=傳感器尺寸/FOV  或  FOV=傳感器尺寸/PMAG

 

最后，需要尋找與所選相機配合使用時能滿足FOV需求的鏡頭。通過為這一公式求解，可以了解需要哪種放大倍率的鏡頭，或者放大倍率或傳感器尺寸變化后可以獲得多大的視場。此外，還必須了解傳感器尺寸（也稱為芯片或傳感器幅面）才能使用這些公式。例如，

 

所需FOV=12.8mm、水平傳感器尺寸=6.4mm時，PMAG=6.4mm/12.8mm，PMAG=0.5X。

 

或者，所需FOV=12.8mm、水平傳感器尺寸=8.8mm時，PMAG=8.8mm/12.8mm，PMAG=0.69X。

 

每個鏡頭都會產生一個PMAG或PMAG范圍，這不受所使用傳感器的尺寸影響，因為PMAG是鏡頭的一種屬性（見圖1）。需要注意的是，如果鏡頭的焦距接近無窮遠，則其PMAG接近于零。在這些情況下，使用視場角值可以更加輕松地確定FOV。請記住，視場角因傳感器尺寸而異：

 

FOV=2×（工作距離×tan[θ/2]）

 

其中，θ=特定成像器尺寸的鏡頭視場角。

圖1：PMAG是鏡頭的一項屬性，描述了可以在特定傳感器陣列中看到的物體范圍。通過鏡頭的放大倍率，可以指定相應的FOV以顧及不同的成像器幅面。

 

成像傳感器幅面

許多成像陣列的寬高比都為4:3（見圖2）。請注意，傳感器幅面尺寸并不等于傳感器的有效區域。視頻鏡頭通常可與任何相機配合使用，但先決條件是鏡頭設計幅面必須要大于或等于相機幅面。如果傳感器過大，則會出現漸暈（管狀視野）現象。因此，大多數鏡頭都會指定可配合使用的最大幅面或最大對角。

圖2：成像傳感器具有多種標準幅面尺寸。陣列變大，FOV也會隨之增大；反之，傳感器變小，FOV也會隨之減小。

工作距離

工作距離是指從鏡頭前端到被觀察物體之間的距離（見圖3）。一些鏡頭（如物鏡）具有固定的工作距離，但也有許多鏡頭的工作距離是在特定范圍內的。盡管工作距離可能是需要指定的參數中最簡單的一個，但用戶在確定適合應用的最佳工作距離時，仍然必須考慮一些細節。總的來說，在考慮工作距離時，系統尺寸、移動部件、飛揚的碎屑以及照明等各方面都必須列入考量范疇。此外，鏡頭系統的放大倍率越高，工作距離就越長。如果需要在工作距離較長時達到較高的放大倍率，系統尺寸可以進一步增加。

圖3：工作距離是指從鏡頭前端到被觀察物體之間的距離。 分辨率是被觀察物體的最小特征尺寸。鏡頭的景深是鏡頭 在物體位置靠近或遠離最佳焦點時，保持所需圖像質量的能 力。

 

分辨率

分辨率是被觀察物體的最小特征尺寸。通過分析分辨率和對比度之間的關系，用戶可以了解極為實用的調制傳遞函數(MTF)。分辨率是對成像系統再現物體細節能力的測量。例如，假設一個白色背景上有一對黑色方形。如果這兩個方形在鄰近的像素上成像，則會在圖像中顯示為一個大的黑色矩形。為了加以區分，這兩個方形之間需要留出一定的空間。只要找出看見兩個方形所需的最小距離即可了解系統的分辨率極限。交替的黑白方形之間的關系通常被描述為線對。

 

通常，分辨率由頻率決定，而頻率則通過每毫米線對數(lp/mm)來測量。這里涉及到兩種不同但相互關聯的分辨率：物方分辨率（可以分辨的物體要素的尺寸）和像方分辨率（鏡頭分辨率和相機分辨率的結合）。傳感器的線對分辨率不能超過傳感器像素數量的一半，因為要分辨一個黑白區域，至少需要一對像素。像方和物方分辨率（以lp/mm描述）采用系統主要放大倍率表示。系統的分辨率極限，可以通過對測試目標成像（見圖4）來確定。

 

 

圖4：條狀目標由不同頻率的線對組成，而星標則由具有連續頻率的楔形組成。條狀目標中的正交線非常有用，因為通過圖像中x和y平面中所顯示不同的誤差，用戶能成功地測試出系統是否存在誤差（散光誤差）。條狀目標受到有限的頻率等級限制。星標沒有這一缺陷，但它們的解譯難度更高。

 

 

對比度描述黑色與白色的區分程度。在現實情況中，黑白線條會在某種程度上模糊成灰色。噪音和邊緣模糊會導致對比度降低。圖像邊界區域相互間差異的有效再現能力，通常都以灰度或信噪比來定義。在定義清晰的圖像中，黑色細節必須顯示為黑色，白色細節必須顯示為白色（見圖5）。

 

圖5：黑白線條之間的強度差異越大，對比度就越高。人眼可以觀察出低至1%~2%的對比度。典型的對比度極限（10%~20%）通常用于定義CCD成像系統的分辨率。

 

明暗線條之間的強度差異越大，對比度越高。對比度是黑白之間強度的分離程度。再現物體對比度與再現物體細節（即分辨率）一樣重要。鏡頭、傳感器和照明，在確定最終圖像對比度方面都發揮著重要作用。

 

對比度

鏡頭對比度通常以再現物體的對比度百分比來定義。圖像的分辨率和對比度可以單獨定義，但同時也密切相關。實際上，沒有指定特定對比度的分辨率往往毫無意義。同樣地，對比度也取決于分辨率頻率。

 

 

 

圖6：對比度并不是常量，它取決于頻率。圖中上方的圓點可以通過鏡頭成像。它們略微模糊。如果斑點進一步移近，模糊部分將重疊，且對比度下降。斑點靠近到足以使對比度達到極限的距離時，其間距即為分辨率。

 

假設兩個圓點相互靠近并且通過鏡頭成像（見圖6）。鑒于光的性質，即使經過完美設計和制造的鏡頭，也無法準確再現物體的細節和對比度。在衍射極限下使用鏡頭時，圖像中的圓點的邊緣仍然會模糊不清。如果圓點之間的距離較遠（在低頻狀態下），則能清楚分辨，但隨著它們相互靠近，模糊區域將重疊，直至無法再分辨出這些圓點。分辨率取決于成像系統檢測圓點間距的能力。因此，系統的分辨率取決于衍射及其他光學誤差所導致的模糊程度、圓點間距以及系統檢測對比度的能力。

 

光學工程師通常會在特定分辨率下指定一個對比度等級。如果將一系列頻率下的對比度繪制成圖，將得到一條MTF曲線。假設對黑白平行線條進行了目標成像。分析一下逐漸增加目標行間距頻率的效果，以及這一行為將如何影響對比度。正如人們所預料的，對比度會隨著頻率增加而降低。可以采用通過一系列不同線對所得出的對比度值來繪制MTF曲線。

 

 

 

 圖7：調制傳遞函數(MTF)曲線表示鏡頭在特定頻率（分辨率）下再現對比度的能力。由于視場內不同位置的MTF各不相同，因此需要繪制多條曲線才能了解鏡頭的真正性能。右側的圖表顯示了視場內三個位置（中間視場、0.7視場和圖像角落的全視場）的MTF。視場內的所有位置（不僅僅是中間）都應該滿足應用要求，以確保系統準確性。

 

根據這些位置繪制出的曲線顯示了所有分辨率（而不僅僅是極限分辨率）下的調制，即對比度（見圖7）。需重點強調的是，曲線的高分辨率端并非總是MTF最重要的部分。對于許多應用，在低頻率下達到高對比度比達到分辨率極限更加重要。對于此類應用，高分辨率的鏡頭非但無法提高整個系統的性能，反而會大大提升成本。相反，用戶只需要提供更加穩定或明亮的照明即可。

 

此外，如果能夠在應用所需的分辨率下提高對比度，實際上也就降低了系統的處理時間。這是因為，如果提高了圖像的對比度，就能更快地找到和測量物體和邊緣。

 

視場內各個位置的分辨率和對比度都各不相同。距離圖像中心越遠，分辨率和對比度就會越低。這并非大問題，因為許多鏡頭都能在所有FOV位置上展現出優于與它們配合使用的傳感器的性能。但如果不考慮這一點，那么在許多應用中，視場邊緣測量的準確性都會受到影響。這可能會導致不合格部件通過檢測，或良好部件未通過檢測。同樣，這一信息也可通過MTF曲線表示。

 

還有一些其他措施也可以提高系統內的鏡頭性能。如果只使用一種顏色，則不需要考慮色差問題。如果系統不需要在整個光譜上進行色差校正，那么鏡頭設計將會更加簡單。采用單色設計也可能簡化照明系統，因為相較于白熾燈，單色LED的功率更低、產生的熱量也更低。將彩色濾光片與白光光源配合使用也能達到此效果。濾光片能以極低的成本大幅提高系統的能力。此外，單色光源和濾光片還能進行色彩分析。

 

景深

鏡頭的景深(DOF)是鏡頭在物體位置靠近或遠離最佳焦點時，保持所需圖像質量的能力。景深也適用于具有一定深度的物體，因為高景深的鏡頭可以清晰呈現整個物體的圖像。當物體放置得過近或過遠而偏離工作距離時，鏡頭就會失焦，分辨率和對比度也都會受到影響。因此，只有同時定義了關聯分辨率和對比度的DOF才有意義。

 

標準行業慣例是利用從衍射極限所計算得出的單一值來指定DOF。但是，很難真正對鏡頭進行比較，因為許多成像鏡頭都沒有衍射極限。盡管兩個鏡頭可能具有相同的f/數（如相同的衍射極限），但它們不一定具有相似的性能或可比較的DOF。對于對景深有極高要求的應用，最好聯系鏡頭制造商定制。

 

 

畸變

畸變是一種幾何光學誤差（像差）。在畸變中，有關物體的信息只是在圖像中發生了錯位，而非真正丟失。畸變可能具有幾種不同的形式：一種是單向畸變，也就是從圖像中心向邊緣偏移的一致性正/負畸變。單向畸變具有兩種形式：桶形（負）和枕形（正）。

 

非單向畸變在從視場中間偏移到邊緣的過程中會反復發生正負畸變。非單向畸變可能是由鏡頭設計過程中，為減少鏡頭總體畸變而產生的特殊結果，或者與設計類型相關的特別因素導致。在單向和非單向設計中，畸變與偏離視場中心的距離之間沒有直接關聯。

 

圖8：圖中的畸變具有負值，這是因為視場邊緣過于靠近圖像中心：畸變(%)=實際距離(AD) – 預計距離(PD)×100PD。

 

無論畸變是否為單向，都可以通過軟件對其分析消除，從而準確測量圖像。可使用測量軟件和已知尺寸的圓點目標，測量偏離圖像中心不同距離的畸變（見圖8）。完成測量后，可以在圖像中對畸變進行處理，或者在測量時將畸變因素考慮在內。去除圖像畸變或重新繪制圖像可能需要耗費大量處理器資源。很多時候，只需簡單使用畸變計算即可，而且這還有助于縮短處理時間。

 

遠心度

視角誤差，也稱為視差，是人類日常體驗的一部分。實際上，大腦需要通過視差來解釋三維世界。近處的物體相對于遠處的物體顯得更大。傳統的成像系統中也存在這種現象。在這些系統中，物體的放大倍率會隨其偏離鏡頭的距離而變化。遠心鏡頭會對這種情況進行光學校正，讓物體無論距離鏡頭多遠，看起來都一樣大。該效果運作的距離范圍由鏡頭定義。

 

那么，為什么需要遠心度？它有哪些優點、缺點和限制？許多應用都需要遠心度，因為它能在一定范圍的工作距離內提供近乎穩定一致的放大倍率，幾乎可以消除透視角誤差。這意味著物體移動不會影響圖像的放大倍率。在具有物方遠心度的系統中，物體朝向或背向鏡頭移動不會導致圖像變大或變小，深度或廣度沿光軸延伸的物體，看起來不會有傾斜感（見圖9）。

 

圖9：柱面軸與光軸平行的柱面物體在遠心鏡頭的圖像平面中顯示為圓形。使用非遠心鏡頭時，同一物體看起來將處于傾斜狀態；物體上方顯示為橢圓形而非圓形，可以看見側壁。

 

在具有像方遠心度的系統中，移動圖像平面以聚焦系統或有意使系統失焦不會改變圖像尺寸。這一屬性是光刻行業的基礎，在該行業，特征尺寸容差一般小于0.1μm。此外，像方遠心度可以產生極為均勻的圖像平面照明。因為所有的主光線都與圖像平面呈θ角，因此不會再出現光軸到視場邊緣平時會出現的圖像平面照明cos4θ衰減。

 

不過，遠心鏡頭也存在一些固有的不足。首先，遠心度區域內（圖像側或物體側）的光學元件的尺寸常常變大。在雙遠心設計（物方和像方）中，最前和最后幾組鏡頭需要分別比物體和圖像更大。例如，如果物體為100mm2，并且需要使用遠心鏡頭觀察，則鏡頭系統前端元件的尺寸必須大大超出部件的對角線長度，這樣才能提供無漸暈的物體視場。該物體的對角線約為6in.，因此鏡頭的直徑應該超出6in.。這樣的鏡頭非常大、非常重，安裝時需特別小心。在將機器安裝到相應位置前，必須先考慮其尺寸。

 

對于DOF和遠心度的常見誤解是認為它們的DOF比普通鏡頭更大。實際上，遠心度并不代表大DOF，DOF只取決于F數和分辨率。使用遠心鏡頭時，物體在離開最佳焦距之后還是會變得模糊，不過是以對稱的方式模糊，因此也有一定的好處。只要物體的特征在遠心工作距離之內，放大倍率就不會改變。換言之，特征靠近鏡頭時并不會比遠離鏡頭時顯得更大。

 

在使用較大傳感器幅面或行掃描相機的應用中，必須考慮Cos4θ衰減。對于要在相當短的工作距離內獲得較大FOV的應用，也需要考慮這種衰減。從本質上說，cos4θ衰減是聚焦在圖像中心與圖像邊緣的光線的相對差異。它通過計算圖像中心的主光線與圖像邊緣的主光線所形成夾角的cos4確定。在許多應用中，這并不是太大的問題，但如果這些夾角大于30°，則可能會難以處理。在行掃描應用中尤其如此，因為在此類應用中，系統可能由于曝光時間較短而出現光線不足的情況。將系統推離到過遠的位置可能會產生以下不良后果：

 

θ=30° ? 相對照明=0.56

θ=45° ? 相對照明=0.25

θ=60° ? 相對照明=0.06

 

對于工作距離極短但又試圖獲得相對較大FOV的系統，必須時刻注意衰減，因為這種設計可能會在鏡頭圖像側形成較大的夾角，而且這與傳感器尺寸無關。可以通過將鏡頭設計為像方遠心來控制衰減。市面上的像方遠心鏡頭數量有限，因此可能需要定制解決方案。

 

另一個抵消衰減的方案是在物體本身創建不均勻的照明。可以在靠近物體邊緣的位置調配更多光線，或者在光源前端添加中性密度的濾光片，從而降低物體中間的相對照明。

 

最后，盡管要構建一個完整的系統，但必須了解其中的每個元件才能達到理想效果。所使用的光學元件可以顯著影響整個圖像的質量，確保準確性和重復性，并且提高系統的總體速度。應用成功的基礎是完全承認沒有哪個鏡頭可以解決所有應用問題
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