了解镜头性能-调制传递函数

在镜头设计中有许多重要的特性，包括镜头分辨率、镜头畸变和光照均匀性等，直接影响机器视觉系统性能。

图1所示：调制传递函数

机器视觉系统中使用的摄像机、镜头和照明都对图像的整体质量做出了重要贡献。过去几年CMOS图像传感器技术的快速发展为镜头制造商带来了重大挑战。越来越高的传感器分辨率意味着现在有许多传感器具有更小的像素，需要更高分辨率的镜头。另一方面，为获得更高的灵敏度而保持较大像素大小的高分辨率传感器通常采用较大的格式，因此需要较大格式的高分辨率镜头。此外，许多需要非常长焦距镜头的应用，如监视、运动、航空摄影和主题公园游乐设施上的摄影，正日益纳入机器视觉的范畴，需要加以解决。在镜头设计中包括镜头分辨率、空间失真和通过镜头的照明均匀性对镜头的性能产生重要影响。

了解镜头性能-调制传递函数(MTF)

理想的镜头可以产生与物体完美匹配的图像，包括其所有细节和亮度变化。在实践中，这绝不是完全可能的，因为镜头充当低通滤波器。考虑到所有像差，镜头的图像质量可以通过其调制传递函数定量地描述。 MTF由透镜再现具有不同间距（线对/空间频率/ mm）的线（网格）的能力来定义。可以区分的线对/ mm越多，镜头的分辨率越好。每个空间频率的MTF图显示了由镜头引起的对比度损失（图1）。通常以相对良好的对比度转移诸如粗糙间隔线的大结构。较小的结构，例如细间隔的线，以低对比度传输。任何给定频率或细节的衰减量按MTF分类，这表示镜头的传输效率。对于任何镜头，都有一个调制为零的点。此限制通常称为分辨率限制，通常以每毫米线对数（lp / mm）引用，或者以最小线尺寸（以μm为单位）引用一些微距镜头，这也相当于镜头所需的最小像素尺寸。适当。 MTF从镜头的中心轴向边缘移动恶化，如果整个图像需要标称分辨率，这是一个重要的考虑因素。由于像散，MTF也可以根据镜头上某点的线条方向而变化，并且也是测量时的光圈设置的函数，因此在比较镜头性能时必须小心。由于必须选择透镜以使分辨率与图像传感器的像素尺寸相匹配，因此像素越小，透镜所需的分辨率越高。

提示:在保持传感器尺寸以降低成本的同时提高传感器分辨率需要具有更高MTF的镜头来分辨这些更小的像素。应该始终考虑系统成本，因为较低成本的较小像素尺寸需要更高分辨率的镜头。

图2：镜头畸变

镜头畸变

除了分辨率的变化外，所有透镜也会受到一定的空间畸变。图2显示了如何以非线性方式拉伸或压缩图像，使整个传感器的精确测量变得非常困难。虽然有一些软件方法可以解决这个问题，但它们无法考虑物体的物理深度，因此最好选择质量好的低失真镜头，而不是试图在软件中纠正这些错误。作为一般规则，较短焦距的镜头将具有比具有较长焦距的镜头更大的失真，因为光从更大的角度照射到传感器。使用更复杂的镜头设计，可以保持低失真，并且许多镜头制造商一直在努力研究他们的光学设计，使他们能够将空间失真降低到0.1％的数量级。

提示:为了以最小的成本最小化失真，较长的工作距离将提供最佳的效果。

照明均匀性

所有来自镜头的图像都存在渐晕，即从图像中心到边缘的光照强度降低，这可能会影响透镜应用的适用性。机械晕渲是由于光束被机械地遮挡(通常是被透镜支架遮挡)而导致的对图像边缘的晕渲。这主要发生在透镜的图像圆(或格式)对于传感器的尺寸太小时。所有的镜头都受到“Cos4渐晕”的影响，这是由于光线必须经过更远的距离到达图像边缘，并以浅角度到达传感器。当角度将光线聚焦到传感器的非敏感部分时，在每个像素上都有微透镜的镜头上，这一点也被夸大了。这可以最小化，如果镜头是由两个f停止下来。通过提高整个传感器的照明均匀性，镜头制造商可以消除对光强度补偿的需求，因为光强度补偿可能会在图像中引入噪声。

图3。机械渐晕

环境影响

许多视觉系统被部署在制造环境中，这意味着它们暴露在各种各样的环境影响下，从污垢、湿度和温度到机械和电磁效应。有许多可用的防护罩，可以防止灰尘和湿气的侵入。镜头组件的机械稳定性对于避免模糊和确保可靠和可重复的测量至关重要。大多数用于机器视觉应用的镜头都是用金属外壳和聚焦机制制造的，以保证镜头的稳定性。许多镜头也提供了抗冲击和振动特性，使他们适用于最恶劣的环境。镜头制造商已经提出了一系列的设计方案，其中一些获得了专利，以限制镜头玻璃由于振动和冲击而移动所产生的图像位移。这些包括使用锁定螺钉来防止焦点和光圈的移动，甚至是固定光圈的移动，以及透镜体中所有元件的粘接。

镜头接口

将镜头固定到相机上是通过使用不同标准的镜头接口来实现的。机器视觉应用中最常用的是C-mount，它可以从各种镜头和配件中受益，包括提供计算机控制的光圈和聚焦的能力。CS安装座并不太常用与C-mount安装座基本相同，但法兰焦距缩短了5mm。较小的镜头卡口系统（如S-mount）通常用于板级相机和微型相机。这些镜头只允许最小的调整。对于大幅面传感器和线扫描应用，可以使用更大尺寸的F-mount系统，尽管越来越多地使用更强大的M42安装座（有时称为T-mount）。但大幅面镜头不支持自动控制光圈和对焦的能力。长焦镜头也在机器视觉中得到应用，最长焦距可达600毫米。这些大幅面镜头主要为专业摄影师开发，也包括电动光圈和变焦，需要专门的EF镜头安装座。目前，越来越多的机器视觉相机采用EF安装功能和EF镜头制造，其新颖的光学功能通过最近的直接分销协议提供给更广泛的机器视觉市场。

图4。不同的镜头支架

让它正确

有了如此多的机器视觉镜头选项，为特定的应用选择最好镜头并不简单。所以将系统作为一个整体来考虑非常重要。例如，许多现代的百万像素相机使用小的传感器尺寸来降低成本，但由此产生的小像素尺寸需要更高的质量，因此光学器件也更昂贵。对于某些应用来说，选择更昂贵、像素更大、光学要求更低的相机可能会有好处，从而降低整个系统的成本。与专家视觉技术供应商合作可以减轻这些决策中的风险。