灿锐光学科普：远心镜头的优势

快速执行可重复、高精度测量的能力对于最大化许多机器视觉系统的性能至关重要。对于此类系统,远心镜头可以获得尽可能高的精度。本节讨论远心镜头的独特性能特征以及远心度如何影响系统性能。

零角视场:视差消除

传统镜头具有角视场 (AFOV),因此随着镜头与物体之间的距离增加,放大倍率会降低。这就是人类视觉的行为方式并影响我们的深度感知。这种 AFOV 会导致视差,也称为透视误差,这会降低精度,因为如果物体移动(即使保持在景深 [DOF] 内),由于放大倍数的变化,视觉系统的观察测量值也会发生变化。远心镜头具有恒定的非角度 FOV,消除了传统镜头的视差特性;在距镜头任何距离处,远心镜头将始终具有相同的 FOV。有关非远心和远心 FOV 之间的区别,请参见图 1。

远心镜头的恒定 FOV 对测量应用既有好处也有限制。远心镜头的主要优点是其放大倍数不会随深度而变化。图 2显示了处于不同工作距离 (WD) 的两个不同物体,由固定焦距(非远心)镜头(中心)和远心镜头(右)成像。请注意,在使用远心镜头拍摄的图像中,无法分辨哪个物体在另一个物体的前面。使用定焦镜头,很明显,看起来较小的物体离镜头更远。

虽然图 2就 WD 偏移而言是剧烈的,但它说明了最小化视差误差的重要性。许多自动化检测任务是对通过成像系统 FOV 移动的物体进行成像,并且零件的位置很少是完全可重复的。如果镜头成像的每个物体的 WD 不相同,则每个物体的测量值将因放大倍数偏移而有所不同(请参阅分辨率了解有关放大倍率及其定义的更多信息)。基于倍率校准误差(这是固定焦距镜头无法避免的)输出不同结果的机器视觉系统是一种不可靠的解决方案,在需要高精度时无法使用。远心镜头消除了对测量误差的担忧,否则会因振动传送带或零件位置不准确等因素而发生。

图 1:传统镜头和远心镜头的 FOV 比较。注意常规镜头的 AFOV 和远心镜头的零角 FOV。

图 2:固定焦距镜头的 AFOV 转化为图像中的视差误差,并导致两个立方体看起来大小不同。

远心镜头和景深

远心镜头本身具有比传统镜头更大的自由度,这是一种常见的误解。虽然 DOF 最终仍由镜头的波长和 f/# 控制,但由于最佳焦点两侧的对称模糊,远心镜头确实可以具有比传统镜头更大的可用 DOF。当被检查部件移向或远离镜头时,它将跟随与其相关联的 AFOV(或主光线)。在非远心镜头中,当物体移入和移出焦点时,由于视差和与其 AFOV 相关的放大倍数变化,该部分会不对称地模糊。然而,远心镜头会对称地模糊,因为 FOV 没有角度分量。实际上,这意味着诸如边之类的特征会保留其质心位置;

虽然它可能看起来有悖常理,但在某些使用远心镜头的应用中可以有利地使用模糊。例如,如果机器视觉系统需要找到引脚的中心位置,如图 3a所示,当镜头对焦时,从白色到黑色的过渡非常清晰。在图 3b 中,同一引脚显示为略微散焦。

如图 4 所示,从穿过零件边缘获取的线条轮廓的图像灰度级图来看,对于稍微散焦的图像,线条的斜率要浅得多,因为引脚边缘分布在更多像素上。由于远心镜头的对称模糊,这种模糊仍然可用,因为质心没有移动并且所需的子像素插值量减少了。这降低了对传感器噪声引起的灰度波动的敏感性,并允许更可靠地找到引脚中心位置并具有更高的可重复性。

图 3:在焦内和焦外成像的同一图钉。请注意,当镜头略微失焦 (b) 时,从白色到黑色的过渡会覆盖更多像素,这可能是有利的。

图 4:显示聚焦边缘和散焦边缘之间斜率差异的图。散焦边缘占用更多像素;不依赖于子像素插值,找到边缘变得更容易。

灿锐光学成立于2009年;灿锐是中国国内一家研发、生产远心镜头的企业,在行业内有着先进的地位;灿锐光学是目前为数不多有着完善产业链配套的工业镜头企业;

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