机器视觉虽然发展了这么多年,但很多人认识机器视觉工业镜头或工业相机还是用民用数码相机的概念来直接套用,造成认知误差,甚至导致重要项目或研究因为硬件的选型不到位而失败,走了很多弯路,浪费财力、物力、精力耽搁时间。

 

8 月 22 日,机器视觉产业联盟(CMVU)以不同形式正式对外(国内)发布《工业数字相机术语》和《工业镜头术语》标准。据专家介绍,这两项“标准”的制定填补了国内行业的空白,必将在国内外产生较大反响,将有力提升中国产品的国际地位和产品竞争力。据了解,2018 年初,机器视觉产业联盟牵头组织联盟 18 家会员单位,开展了为期 2 年的“标准”联合编写工作,从起初讨论术语标准的编写原则,明确编写思路和框架结构,到开始进行广泛查阅同类产品的国内外企业标准、团体标准和大量走访调研,并根据查阅收集相关国外先进国家的团体标准做法,最终形成了初步的“标准”版本,通过起草成员单位多次不同阶段的讨论和修改,并经中国标准化研究院基础所专家审查核对,最终完成了《工业数字相机 术语》和《工业镜头 术语》编写工作。这两项“标准”的制定,既避免了与现有的国标术语产生冲突,同时又兼顾到实际使用者的技术诉求以及未来标准的导向性和科学性。

 

机器人视觉目前已成为实现工业自动化和智能化的核心关键点之一,尤其在中国,科技发展日新月异,机器视觉行业伴随制造业的强势崛起,受到各行业的广泛关注和充分的工业应用,所以机器视觉工业镜头的相关专业术语我们不得不了解。

 

一、远心光学系统:

指主光线平行于镜头光学轴的光学系统。而光从物体朝向镜头发出,与光学轴保持平行,甚至在轴外同样如此,则称为物体侧远心光学系统。光从镜头朝向影像,与与光学轴保持平行,甚至在轴外同样如此,则称为影像侧远心光学系统。

 

 

二、远心镜头:

远心镜头指主光线与镜头光源平行的镜头。有物体侧的远心,成像侧的远心,两侧的远心行头等方式。

 

通常的镜头

 

 

主光线与镜头光轴有角度,因此工件上下移动时,像的大小有变化。

 

两方远心境头

 

 

主物方,像方均为主光线与光轴平行

光圈可变,可以得到高的景深,比物方远心境头更能得到稳定的像

最适合于测量用图像处理光学系统,但是大型化成本高

 

物方远心境头

 

 

只是物方主光线与镜头主轴平行

工件上下变化,图像的大小基本不会变化

使用同轴落射照明时的必要条件,小型化亦可对应

 

像方远心境头

 

 

只是像方主光线与镜头光轴平行

相机侧即使有安装个体差,也可以吸收摄影倍率的变化

用于色偏移补偿,摄像机本应都采用这种镜头

 

三、远心光学系统的特色:

 

 

优点:更小的尺寸。减少镜头数量,可降低成本。

缺点:上下移动物体表面时,会改变物体尺寸或位置。

 

 

优点:上下移动物体表面时,不会改变物体尺寸或位置。使用同轴照明时。可使用更小的尺寸。

缺点:未使用同轴照明时,大于标准镜头的尺寸。

 

 

优点:与 MML 相似,但镜头凸缘后端的尺寸出现极大差异时,会改善精确度。

缺点:与 MML 相似,但成本比 MML 更高。

 

四、远心:

Telecentricity 是指物体的倍率误差。倍率误差越小,Telecentricity 越高。Telecentricity 有各种不同的用途,在镜头使用前,把握 Telecentricity 很重要。远心镜头的主光线与镜头的光轴平行,Telecentricity 不好,远心镜头的使用效果就不好;Telecentricity 可以用下图进行简单的确认。

 

 

五、分辨率(μm):

光学系能力的尺度,表示黑白格状图案通过镜头观察时,1mm 中可以分辨观察到黑白条纹的最多对数。分辨率为两点间在无法识别前,能靠近的最近距离测量值,例如 1μm 的分辨率代表两点间在无法识别前,能靠近的最近距离为 1μm。以下为根据镜头的无相差光衍射情况计算理论分辨率的公式。

 

 

六、分辨力(Lines/mm):

分辩力指黑白网线图镜头里影像内 1mm 面积,可识别的黑白两色条纹数。分辨力的单位为线条/mm,例如 100 线条/mm 代表可识别黑白间距 1/100mm(10μm)。黑白线条的宽度为 1/200mm(5μm)。

 

七、水平 TV 分辨率(TV 线条):

宽度里的黑白水平线总条数,相当于电视机屏幕垂直高度的高度值。屏幕的垂直与水平长度比率通常为 3:4,因此水平宽度里的总条数为 3/4。电视机水平分辨率为 240TV 条线,电视机屏幕水平宽度的总条数为 320 条线。测量镜头的分辨率时,一组黑色与白色线条应视为一条线,但是在电视机分辨率线条方面,一组视为 2TV 线条。

 

八、失真(%):

失真为光学轴外的直型物体,呈现曲线时的镜头像差。镜头失真也称为镜头畸变,即光学透镜固有的透视失真的总称,可分为枕形失真和桶形失真,直线朝向中心的失真情况为枕形失真(Pincushion Distortion),向外扩张的失真称为桶形失真(Barrel Distortion)。如下图示:

 

 

九、TV 失真(%):

TV 屏幕上的影像失真。数值越接近零,牲能越高。

 

 

十、电视失真:

实际边长的歪曲形状与理想的形状的百分比算出的值。

 

十一、孔径效率边际光量(%):

孔径效率为使用镜头拍摄均匀亮度的物体时,成像盘光学轴与四周区域之间的亮度差异,单位为百分比(%),假设中央亮度为 100,为镜头的光学特征之一。

 

十二、遮蔽(%):

遮蔽为使用镜头与 CCD-TV 镜头拍摄均匀亮度的物体时,电视机屏幕中央与边缘之间的亮度差异,单位为百分比(%)。通常使用受光组件与 CCD 组件的功率比计算此百分比。遮蔽意指镜头与 TV 镜头的整体表现,可使用远心光学系统以缩小遮蔽的情况。

 

十三、色差:

在镜头光学统中,形成影像的位置与影像放大倍率随光线波长的不同而不同。不同波长的光线有不同的颜色,这叫做色彩失真。光学轴上的失真叫做色彩失真。放大倍率的差异则叫做放大倍率色彩失真。

 

十四、工作距离(WD)(mm):

工作距离指镜头第一个工作面到被测物体的距离。

 

十五、物像间距离 O/I(Object to Imager)

OI 指物体到结像平面的距离。

 

 

十六、焦距 f(mm)后焦距/前焦距

焦距为光学系统的主光点到焦点的距离。从最后一片镜头的顶点到后焦点的距离,为后焦距。从第一片镜头的顶点到前焦点的距离,为前焦距。