工業鏡頭和其他鏡頭,例如單反鏡頭、安防鏡頭、手機鏡頭,在使用場景上、性能上、設計上和生產上都是有差異的。所以要在挑選工業鏡頭之前,我們需要了解工業鏡頭的測評的指標,專業精密的鏡頭測試儀器可以對一支鏡頭給出幾十頁的報告,價格也非常昂貴。作為鏡頭使用者而非生產者,使用一些簡單的工具和算法也能實現鏡頭評測。
解析度是[工業鏡頭]的重要參數,指的是它能分辨開兩個靠近的點物的能力。一般使用每毫米線對數LP/mm來表示,使它描述了鏡頭能分辨最小距離的能力。我們可以把鏡頭可以看成是一個低通濾波器。信息經過鏡頭後,帶有細節的高頻信息會有所減弱。解析度單位的意思是在每毫米裡面能分辨多少對像素,例如200LP/mm,就是在1毫米裡面能分辨200對像素,就是400個,也就是說相機方面的像元要在1除以400,也就是2.5微米,這樣鏡頭的解析度才不會被浪費。測試鏡頭解析度時,我們一般使用解析度板USAF1951(圖1),USAF1951可以讀取鏡頭能分辨細小的線寬,我們就可以準確的讀出鏡頭的物方解析度。就可以知道系統的分辨能力,然後通過放大倍率的換算可以換算成像方解析度。再和相機的解析度做比較,就可以知道鏡頭和相機是否匹配了。
在測試的時候一定要把視野中心調至清晰,再分別讀取中心和四角的讀數。注意下,不同的鏡頭對比測試時,要保證光圈和工作距離的一致。測試解析度至少要測中心和四角5個點,好的鏡頭四角成像差異不大。對FA鏡頭來說中心成像肯定優於邊緣。
圖2 為兩款同樣規格不同生產廠商的鏡頭,一個鏡頭有明顯的場曲即中心和周邊解析度相差過大。畸變是相差的一種,是由於一對共軛面上的放大率並不是常數而引起的,即軸上物點與視場邊緣具有不同的放大率,物和像因此不再完全相似,一般離視野中心越遠放大倍率變化越大。畸變不影響成像的清晰度,對於畸變的表示方法分為:光學畸變和TV畸變,光學畸變它體現了圖像上的點實際位置和理想位置的偏差。而TV畸變體現了圖像的扭曲程度。光學畸變的值近似等於TV畸變的3倍。TV畸變=△h/h,光學畸變=△y/y。
Halcon等圖像處理軟體在標定畸變時用光學畸變。例如使用圓點標定板就可以根據已知的點的坐標和拍攝的坐標之間的偏差來計算光學畸變。如果不使用Halcon軟體,可以根據光學畸變的定義寫個程序。使用棋盤格來拍攝(圖4),讀取物空間坐標和圖像坐標,獲取差值,再除以到中心點的距離,就知道了一個點的畸變值。但光學畸變是非線性的,尤其是混合畸變,可能出現中心枕形邊緣桶形畸變。所以要儘可能多地採集點,擬合畸變曲線。如果要測量TV畸變也是一樣的。
相對照度,指的是視野邊緣位置的亮度和中心位置亮度的比值,一般用百分比表示。在圖像上表示為中心亮度比邊緣的亮度高,導致這樣的問題是因為漸暈現象造成的,即部分光線的邊緣被鏡筒或鏡片邊緣擋掉,(圖5)導致相機邊緣接收到的光能減少。過大的亮度差會導致圖像過曝和欠曝的問題,從而導致成像不清問題。
測試工業鏡頭相對照度我們一般使用拍攝柔光背景來測試,使用一個較大的亮度均勻的面光源,漫射板要離光源足夠遠,來保證光源的均勻性。然後取中心和邊緣區域點的亮度值,再除以中心區域灰度值,就得到了鏡頭的相對照度,拍攝的時候可以使用動態範圍較好的相機,因為相對照度是非線性的我們可以畫出相對照度和點位的位置關係圖。圖像的亮度是從中心到周邊逐步變暗的,各方向沒有差別,所以只要對一個角取值。相對照度是會隨著工作距離變化,一般工作距離越近,相對照度越高。光圈越小,亮度越均勻,相對照度越高。
對比度是黑白線對的最亮和最暗的反差,如圖7,黑色和白色的條紋的灰度值的差和和的比值就是對比度。計算公式為
MTF表示各不同頻率的正弦強度分布函數經光學系統成像後,對比度的衰減程度。不同強度的正弦波我們可以認為是不同寬度的黑白線對。空間頻率越高,成像後的對比度下降越嚴重。我們可以通過使用不同寬度的黑白線對,來繪製MTF圖像,描述鏡頭的性能。對比度在實際的使用中,因為不良點和正常點常常只有個位數的灰度值差異,對比度低的鏡頭很難將不良點分辨出來。如圖8
眩光是因為光線在鏡頭內部擴散和反射造成的。(圖9)紅色箭頭指出的偽影就是眩光。
眩光是由於光線在通過這些單獨的透鏡的時候,除了大部分直接穿過去之外,還有一部分的光線會被透鏡的表面反射回去這些在鏡頭內部的反射光最終會有一部分到達傳感器上,形成這些光斑,就是我們說的鏡頭眩光了。(圖10)
工業鏡頭比起安防、單反鏡頭,對抗眩光的要求不高。這是因為大部分機器視覺應用打光較均勻,環境穩定,強光直射入鏡頭的情況比較少。用一個強光手電筒,或者手機的補光燈可以簡單測試鏡頭抗眩光的能力。如果在項目中遇到眩光,可以調整光源角度,或者安裝偏振片。實在不行就需要更換鏡頭。
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