应用于钢管直线度机器视觉测量的光学成像系统设计

　　引言

　　随着计算机科学、人工智能与数字信号处理技术的迅猛发展,机器视觉检测技术已经成为一个重要的学术研究领域[1-3]。机器视觉检测通过图像传感器采集并获取被测目标图像,然后将图像送至图像处理单元,根据像素分布和亮度等信息,进行目标尺寸、形状等判别与测量。其中,光源、光学成像透镜及图像传感器构成了机器视觉测量中的光学成像系统,他们是获取优质图像的直接决定性因素,也是影响最终测量精度的关键。通用的摄像头将镜头和图像传感器集成在一起,虽然方便了使用与安装,但其成像系统都不是针对具体的某个应用对象而设计,因此不能完全适应实际测量需求。对于被测目标尺寸较大以及测量精度要求较高的机器视觉应用,需要对成像系统进行专门的优化设计。针对较长尺度钢管的直线度测量,本文根据被测钢管技术参数要求,设计了成像系统的技术指标,通过成像计算以及Zemax的光学模拟,综合分析了光源、成像镜头及图像传感器对成像质量及光学畸变等像差的影响,并对相关的结构参数参数进行了优化,最终设计出一套能够适合于钢管直线度检测的光学成像系统。

　　1　钢管成像系统的主要指标设计

　　直线度测量是几何量计量领域里的一个最基本的、也是最重要的项目,它与尺寸精度、圆度和粗糙度统称为影响产品质量的四大要素。按照GB/T1182-1996的规定,在任意方向上,直线度公差带是直径为d的圆柱面内的区域,如图1所示。因此,通过图像处理获得钢管上下边缘图像,继而根据钢管上下边缘获得钢管中心轴心线坐标,最后通过直线度误差评定原则获得钢管直线度误差。在钢管直线度测量中,根据测量的要求,被测钢管的相关技术参数如下:直径d=50mm,长度L=1000mm,直线度测量分辨率R要求为0.25mm,工作距离D=1000～1500mm。

　　1.1　焦距、视场角与相对孔径

　　由于测量直线度误差需要提取钢管长度方向的中心轴心线,因此取检测视场FOV=L±50mm(误差冗余量)=1100mm,取工作距离D=1200mm。依据机器视觉相关的设计知识[4]有:

　　结合上述要求,可选择面阵CMOS图像传感器IBIS-14000。该图像传感器像素分辨率为4560×3048,总像素数1390万,像元中心距ES是8Lm,能满足上述要求。根据所选的图像传感器,可求得在长度方向图像传感器的列阵长度:

　　列阵长度

　　根据所求取列阵长度,可进一步计算出整个光学系统所需的放大倍率:

　　根据放大率M和工作距离L查阅“镜头选择曲线”[4],可得系统焦距:

　　经过上述推理计算,镜头的系统焦距已经基本确定。根据工作距离D和视场可以估算其半视场角ω: