相機鏡頭原理及其選型

1、相機、鏡頭原理及其選型1. 凸透鏡成像原理成像平面鏡頭焦距成像平面鏡頭焦距圖 1注：相機鏡頭中的焦距為：凸透鏡焦點到成像平面的距離圖 22. 相機原理鏡頭部分相機機身相機成像實際就是凸透鏡成像，拍攝物體反射光經(jīng)鏡頭（凸透鏡）聚焦，在感光系統(tǒng)上形成倒立縮小的像，像經(jīng)進一步處理得到相片或數(shù)碼圖像。3. 相機相關概念3.1. CCD（Charge-coupled Device，電荷耦合元件）CCD是圖像傳感器，將光信號轉換成電信號，再將電信號轉換成數(shù)字信號，經(jīng)處理后成為圖像信號。結構：(1)、 大量光敏元件排在一起組成感光元件（每個光敏元件為一個像素點）。(2)、 并行信號寄存器，用于暫時儲存感光后

2、產(chǎn)生的電荷。(3)、 串行信號寄存器，暫時儲存并行寄存器的模擬信號并將電荷轉移放大。(4)、 信號放大器，放大微弱電信號。(5)、 數(shù)摸轉換器，將放大的電信號轉換。目前工業(yè)相機主要CCD尺寸3.2. CMOS和CCD一樣，是圖像傳感器。區(qū)別在于：(1)、 信號的讀出過程不同，CCD是通過一個或幾個節(jié)點統(tǒng)一讀出像素，CMOS通過單個像素同時讀取，因此一致性CCD更好。(2)、 集成性CCD更復雜(3)、 CMOS讀取速度更快。(4)、 CCD技術更成熟，噪聲少，成像質量更好。3.3. 像素相機感光元件上每個光敏元件即為一個像素點。注：要想得到高清照片，必須保證有一定的像素數(shù)。但并非像素數(shù)越大，照

3、片的就越清晰。照片的清晰度是由“點像"決定，即每點（寸等）有多少像素。通常相機的像素大小又被叫做相機分辨率。3.4. 感光度（IOS）、增益（Gain）(1)、 感光度：為數(shù)碼單反相機的參數(shù)之一，表示圖像傳感器或膠片對光的敏感程度，增加感光度，圖像更亮，但畫質變差。(2)、 增益：為工業(yè)相機參數(shù)之一，是調節(jié)感光度的一種方法。增益增加，圖像更亮，但畫質變差。(3)、 感光度和增益的區(qū)別為：一：適用對象不同，感光度常用于數(shù)碼單反相機，而增益用于工業(yè)相機；二：提高感光度可通過多種方式獲得，而提高增益恰是提高感光度的一種方式。3.5. 幀率相機采集傳輸圖像的速率，對于面陣相機一般為每秒采集的

4、幀數(shù)(Frames/Sec.)，對于線陣相機為每秒采集的行數(shù)(Hz)。4. 鏡頭相關概念4.1. 焦距成像光線在鏡頭內交點到影像傳感器的距離稱作焦距，焦距數(shù)值小，視角大；焦距數(shù)值大，視角小。藍色光線所表示的焦距相對紅色變大，其視角則變小。4.2. 光圈 光圈：由葉片組成的用于控制光通過量的裝置。絕對孔徑：光圈的實際孔徑大小。曝光量：除去外部環(huán)境因素，曝光量與曝光度和曝光時間成正比。曝光時間由快門決定，而曝光度與光圈的絕對孔徑和鏡頭焦距成正比。相對孔徑： 為了反映曝光度，將孔徑與焦距的比值定義為相對孔徑。光圈值（f）：為焦距與絕對孔徑的比值，即相對孔徑的倒數(shù)。較大的光圈（較小的f值）意味著有更多

5、光線通過鏡頭，可在弱光環(huán)境中拍攝。4.3. 快門通過控制曝光時間控制曝光量的裝置?？扉T分機械快門和電子快門。機械快門：通過機械方式控制通光孔（快門）的開閉。電子快門：利用了CCD感光系統(tǒng)不通電不工作的原理。4.4. 景深(1)、 拍攝景物中能產(chǎn)生較為清晰影像的最近點至最遠點的距離。光圈值越大，景深越??；光圈值越小、景深越大。焦距越長，景深越?。唤咕嘣蕉?，景深越大。距離拍攝體越近時，景深越?。?2)、 景深與光圈的關系（進一步說明景深）注：彌散圓：物點成像時，由于像差，其成像光束不能會聚于一點，而是在像平面上形成一個擴散的圓形投影，成為彌散圓。彌散圓只要在人眼接受范圍內，就算清晰的像。由上圖可知

6、，當使用小光圈時，在更大的景深范圍內依然形成滿足清晰要求的彌散圓。因此，小光圈（更大f值），景深更大。4.5. 分辨率在成像平面上1毫米間距內能清晰分辨的黑白相間的線條對數(shù)，單位是“線對/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）。測試方法：將待測鏡頭裝在一個膠片照相機上。去拍攝黑白條紋圖（分辨率圖版），然后用高倍放大鏡（鏡頭分辨率檢測儀）檢測底片上每毫米范圍內能清晰分辨的線條對數(shù)，能分辨得越多則分辨率越高。注：鏡頭分辨率和相機分辨率配合，才能排出高質量圖像。4.6. 視場(Field of view, 即FOV，也叫視野范圍)指觀測物體的可視范圍，也就是充滿相機采集芯片的物體部分。4.

7、7. 工作距離(Working Distance,即WD)指清晰成像時，從鏡頭前部到受檢驗物體的距離。4.8. 失真（distortion）又稱畸變，指被攝物平面內的主軸外直線，經(jīng)光學系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變。畸變像差只影響影像的幾何形狀，而不影響影像的清晰度?；兺哥R的固有特性（凸透鏡匯聚光線、凹透鏡發(fā)散光線），所以無法消除，只能改善。工業(yè)上對畸變要求高的場合可選用遠心鏡頭。4.9. 鏡頭類型標準、遠心、廣角、近攝、遠攝。5. 工業(yè)相機及鏡頭選型說明5.1. 選擇相機感光芯片尺寸(1)、 原則一：相機像素大?。ǚ直媛剩┧柘鄼C像素大小(2)、 原則二：鏡頭可支持的最

8、大感光芯片尺寸相機芯片尺寸(3)、 原則三：靜止拍照、全局曝光選CMOS；運動拍照選CCD。5.2. 選擇相機與鏡頭接口類型5.3. 波長、變焦與否成像過程中需要改變放大倍率的應用，采用變焦鏡頭，否則采用定焦鏡頭。工業(yè)相機鏡頭的工作波長，可考慮：是否采用可見光波段；是否采取濾光措施；單色光還是多色光；能否有效避開雜散光的影響？5.4. 鏡頭工作距離與焦距一般地：結合CCD像素尺寸、工作距離，視角大小可計算工業(yè)相機鏡頭的焦距。5.5. 選擇光圈鏡頭的光圈大小決定圖像的亮度，在拍攝高速運動物體、曝光時間很短的應用中，應該選用大光圈鏡頭，以提高圖像亮度。5.6. 特殊要求優(yōu)先考慮結合實際的應用特點，

9、可能會有特殊的要求。例如是否有測量功能，是否需要使用遠心鏡頭，成像的景深是否很大等等。5.7. 成本和技術成熟度如果以上因素考慮完之后有多項方案都能滿足要求，則可以考慮成本和技術成熟度，進行權衡擇優(yōu)選取。6. 相機鏡頭選型示例6.1. 例一：同時選擇相機和鏡頭6.2. 例二：已知相機選擇鏡頭要給硬幣檢測成像系統(tǒng)選配工業(yè)相機鏡頭，約束條件：相機CCD 2/3英寸，像素尺寸4.65m，C口。工作距離大于200mm，系統(tǒng)分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。(1)、 CCD尺寸2/3，所選鏡頭支持像面應該不小于2/3 CCD尺寸。(2)、 接口類型C口。(3)、 與白色LED光源配合使用，鏡頭

10、應該是可見光波段。沒有變焦要求，選擇定焦鏡頭。 (4)、 成像的放大率M=4.65/（0.05*1000）=0.093焦距f=L*M=200*0.093=18.6mm (5)、 用于工業(yè)檢測，其中帶有測量功能，所以所選鏡頭的畸變要求小。 從以上幾方面的分析計算可以初步得出這個鏡頭的“輪廓”：焦距大于17mm，定焦，可見光波段，C口，至少能配合2/3英寸CCD使用，而且成像畸變要小。按照這些要求，可以進一步的挑選，如果多款鏡頭都能符合這些要求，可以擇優(yōu)選用。6.3. 例三:已知鏡頭選擇相機(1)、 確定像素大小，進而確定感光芯片尺寸。(2)、 確定接口。(3)、 確定相機類型：線陣還是面陣。7.

11、 其他重要概念7.1. 遠心鏡頭(1)、 概念通過在光學系統(tǒng)的中間位置放置孔徑光闌以及設計平行光路,使得在一定的物距范圍內，圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化。(2)、 應用遠心鏡頭主要解決的問題是：物體位置變化引起比例尺改變；畸變；投影誤差；物體邊緣測量誤差大。在工業(yè)圖像處理中，一般只使用物方遠心鏡頭。偶爾也有使用兩側遠心鏡頭的，（當然價格更高），像方遠心鏡頭一般來說不會用。主要實際應用：機械零件量測；塑料零件量測；玻璃及藥用容器量測；電子組件量測；粒子量測；量測高精度彩色打印；半導；過濾器控制；血液分析及細胞數(shù)量計算等。(3)、 原理及分類物方遠心光路設計原理及作用：平行于光軸的物方光線的

12、會聚中心位于像方無限遠，稱之為：物方遠心光路。將孔徑光闌放置在光學系統(tǒng)的像方焦平面上，當孔徑光闌放在像方焦平面上時，即使物距發(fā)生改變，像距也發(fā)生改變，但測得的物體尺寸不會變化。其作用為：可以消除物方由于調焦不準確帶來的，讀數(shù)誤差。像方遠心光路設計原理及作用：平行于光軸的像方光線的會聚中心位于物方無限遠，稱之為：像方遠心光路。在物方焦平面上放置孔徑光闌，使像方主光線平行于光軸，從而雖然 CCD芯片的安裝位置有改變，在 CCD 芯片上投影成像大小不變。其作用為：可以消除像方調焦不準引入的測量誤差。兩側遠心光路設計原理及作用：綜合了物方/像方遠心的雙重作用。主要用于視覺測量檢測領域。(4)、 選型說

13、明當檢查物體遇到以下 6 中情況時，最好選用遠心鏡頭：1） 當需要檢測有厚度的物體時（厚度>1/10 FOV 直徑）；2） 需要檢測不在同一平面的物體時；3） 當不清楚物體到鏡頭的距離究竟是多少時；4） 當需要檢測帶孔徑、 三維的物體時；5） 當需要低畸變、 圖像效果亮度幾乎完全一致時；6） 當缺陷只在同一方向平行照明下才能檢測到時。根據(jù)使用情況（ 物體尺寸和需要的分辨率） 選擇物方尺寸合適的物方鏡頭和 CCD 或 CMOS 相機，同時得到像方尺寸，即可計算出放大倍率，然后根據(jù)產(chǎn)品列表選擇合適的像方鏡頭。選擇過程中還應注意景深指標的影響，因為像/物倍率越大景深越小，為了得到合適的景深，可

14、能還需要重新選擇鏡頭。7.2. 面陣相機、線陣相機(1)、 面陣相機相機感光元件以矩陣排列，可直接獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。主要用于面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測量。優(yōu)點：可獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。缺點：像元總數(shù)多；每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制。(2)、 線陣相機相機感光元件以線的方式排列，應用領域是檢測連續(xù)運動的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。優(yōu)點：一維像元數(shù)可以做得很多，而總像元數(shù)較面陣CCD相機少；像元尺寸比較靈活，幀幅數(shù)高，特別適用于一維動態(tài)目標的測量；線陣CCD 分辨力高，價格低廉，可滿足大多數(shù)測量視場的要求。不足：圖像獲取時間長，測量效率低；由于掃描運動及相應的位置反饋環(huán)節(jié)的存在，增加了系統(tǒng)復雜性和成本；圖像精度可能受