機器視覺相機鏡頭選型與應用

機器視覺

相機、鏡頭介紹

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蘇州方向科技有限公司版權所有很好SuzhouCompassTechnologyCorp.Ltd.Copyrights?2011-2012Topic內(nèi)容機器視覺相機、鏡頭基礎知識典型案例工業(yè)相機相機常見分類按照芯片類型可以分為CCD相機、CMOS相機；按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機、面陣相機；按照掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機；按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機、高分辨率相機；按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數(shù)字相機；按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機；

工業(yè)相機的基本參數(shù)

1.分辨率(Resolution):相機每次采集圖像的像素點數(shù)(Pixels)，對于數(shù)字工業(yè)相機機一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對應的，對于模擬相機機則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480。2.像素深度(PixelDepth):即每像素數(shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對于數(shù)字工業(yè)相機機一般還會有10Bit、12Bit等。

3.像元尺寸(PixelSize):像元大小和像元數(shù)(分辨率)共同決定了相機機靶面的大小。目前數(shù)字工業(yè)相機像元尺寸一般為3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質(zhì)量也越不容易提高。FieldOfViewPixelSize=——————————CameraResolution

工業(yè)相機的基本參數(shù)

3.幀速率(FrameRate):相機采集傳輸圖像的速率，對于面陣相機機一般為每秒采集的幀數(shù)(Frames/Sec.)，對于線陣相機機為每秒采集的行數(shù)(Hz)。

4.曝光方式(Exposure)和快門速度(Shutter):對于線陣相機都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時間可以與行周期一致，也可以設定一個固定的時間；面陣工業(yè)相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，數(shù)字工業(yè)相機機一般都提供外觸發(fā)采圖的功能。快門速度一般可到10微秒，高速工業(yè)相機還可以更快。

5.傳感器尺寸(SensorSize)如1/2”1/3”2/3”等。傳感器尺寸越大,理論上可以聚集更多的感光單元,可以獲得更高的相素。在相素不變的情況下,相機傳感器尺寸越大,噪點控制能力越強,因為單個感光元件之間的間距越大,相互之間的信號干擾越小.

常用的工業(yè)相機品牌品牌產(chǎn)地相機類型THEIMAGINGSOURCE美國線陣相機、面陣相機IDSuEye美國線陣相機、面陣相機、智能相機Microscan美國面陣相機、智能相機JAI丹麥線陣相機、面陣相機、攝像機Dalsa加拿大線陣相機、面陣相機Teli日本線陣相機、面陣相機COGNEX美國智能相機I-Cite支持的工業(yè)相機品牌品牌品牌品牌MV1000Pci1424uEyeDirectPX610DM4X1PicoloPXR800DFGBW1DalsaX64-CLExpressIMPERXVCEEpixPixciSISenTechDirectMicroPixDominoMiniLeutronDirectDirectShowMatroxMeteorIIJAIDirectOpteonDirectDominoAlpha2AsyncDalsaGenie工業(yè)鏡頭的接口C型：

C型接口鏡頭與攝像機接觸面至鏡頭焦平面（攝像機CCD光電感應器應處的位置）的距離為17.5mmCS型：CS型接口此距離為12.5mm.

CS型鏡頭與CS型攝像機可以配合使用。C型鏡頭與CS型攝像機之間增加一個5mm的C/CS轉(zhuǎn)接環(huán)可以配合使用。CS型鏡頭與C型攝像機無法配合使用。F型：通用型接口，一般適用于焦距大于25mm的鏡頭工業(yè)鏡頭C型口與CS型口區(qū)別接圈工業(yè)鏡頭的基本參數(shù)視場(Fieldofview,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。（視場范圍是選型中必須要了解的）工作距離(WorkingDistance,即WD):指從鏡頭前部到受檢驗物體的距離。即清晰成像的表面距離（選型必須要了解的問題，工作距離是否可調(diào)？包括是否有安裝空間等）分辨率：圖像系統(tǒng)可以測到的受檢驗物體上的最小可分辨特征尺寸。在多數(shù)情況下，視野越小，分辨率越好。景深(Depthofview，即DOF)：物體離最佳焦點較近或較遠時，鏡頭保持所需分辨率的能力

（需要了解客戶對景深是否有特殊要求？）工業(yè)鏡頭的基本參數(shù)焦距（f）焦距，是光學系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指從透鏡的光心到光聚集之焦點的距離。亦是照相機中，從鏡片中心到底片或CCD等成像平面的距離。焦距大小的影響情況：焦距越小，景深越大；焦距越小，畸變越大；焦距越小，漸暈現(xiàn)象越嚴重，使像差邊緣的照度降低；工業(yè)鏡頭的基本參數(shù)

失真（distortion）：（衡量鏡頭性能的指標之一）又稱畸變，指被攝物平面內(nèi)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?；兿癫钪挥绊懹跋竦膸缀涡螤睿挥绊懹跋竦那逦?。光圈與F值

光圈是一個用來控制鏡頭通光量裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達光圈大小我們是用F值，如f1。4，f2，f2。工業(yè)鏡頭的基本參數(shù)光圈大小的影響情況：

光圈越大，圖像亮度越高；景深越??；分辨率越高；像場中央與邊緣：一般像場中心較邊緣分辨率高；像場中心較邊緣光場照度高光波長度的影響：

在相同的工業(yè)相機及鏡頭參數(shù)條件下，照明光源的光波波長越短，得到的圖像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置測量的視覺系統(tǒng)中，盡量采用短波長的單色光作為照明光源，對提高系統(tǒng)精度有很大的作用。工業(yè)鏡頭的基本參數(shù)用于計算主要縮放比例的公式如下：PMAG

=

CCDSize/FOV圖2:

主要縮放比例、感光芯片尺寸和視場的關系示意圖光學放大倍數(shù)工業(yè)鏡頭的主要類別：常用攝像鏡頭主要參數(shù)有焦距f光圈數(shù)F和視場2ω.經(jīng)驗公式：1/F*tanω√f=CF型接口類型攝像鏡頭焦距表（mm）C,CS型接口類型攝像鏡頭焦距表(mm)類型魚眼型超廣角型廣角型標準型焦距7.5,1517,2024,28,3550類型1/3″1/3″,1/2″2/3″,1″焦距2.8-3.53.5-68-75常用攝像鏡頭參數(shù)近攝透鏡在攝像鏡頭前端擰上一個近攝透鏡，可以攝取到更近距離目標的像。采用近攝鏡后，目標像的畸變增大了，為此，近攝透鏡的屈光率不能太大，使原工作距離的縮短量一般不超過20％。工業(yè)鏡頭的主要類別：近攝鏡頭近攝鏡頭與近攝鏡頭相反，為了對遠距離目標攝取到清晰圖像，要采用遠攝鏡頭。這種鏡頭是一長焦距鏡頭。遠攝鏡頭可以是折射系統(tǒng)、反射系統(tǒng)或折反射系統(tǒng)。反射式遠攝鏡頭常采用卡塞格林式遠攝鏡頭.折反式遠攝鏡頭由于采用前部校正透鏡，其成像質(zhì)量更加良好.工業(yè)鏡頭的主要類別：遠攝鏡頭遠攝鏡頭鏡物方遠心鏡頭物方遠心鏡頭采用平行光路設計，將孔徑光闌放置在光學系統(tǒng)的像方焦平面上?？梢韵敢暬?常用于工業(yè)精密測量，畸變極小。工業(yè)鏡頭的主要類別：遠心鏡頭遠心鏡頭像方遠心鏡頭像方遠心鏡頭是將孔徑光闌放置在光學系統(tǒng)的物方焦平面上，而像方的主光線平行于光軸。可以獲得更好的像面照度的均勻性,圖像不會出現(xiàn)陰影，常用于醫(yī)學圖像處理。工業(yè)鏡頭的主要類別：遠心鏡頭遠心鏡頭常用的工業(yè)鏡頭品牌品牌產(chǎn)地鏡頭類型施耐德Schneider德國定焦、遠心卡爾蔡司Zeiss德國定焦、遠心μTron日本定焦、定倍、遠心、連續(xù)變倍Moritex日本定焦、定倍、遠心、連續(xù)變倍SPACECOM日本百萬像素定焦COMPUTAR日本百萬像素定焦賓得PENTAX日本百萬像素定焦騰龍TAMRON日本百萬像素定焦精工日本百萬像素定焦VST日本定焦、定倍、遠心、連續(xù)變倍KOWA日本百萬像素定焦常用鏡頭圖片定倍遠心鏡頭Navitarzoom6000連續(xù)變倍鏡頭組件Navitarzoom6000連續(xù)變倍鏡頭定焦鏡頭工業(yè)鏡頭的選擇要點1、視野范圍、光學放大倍數(shù)及期望的工作距離：在選擇鏡頭時，我們會選擇比被測物體視野稍大一點的鏡頭，以有利于運動控制。2、景深要求：對于對景深有要求的項目，盡可能使用小的光圈；在選擇放大倍率的鏡頭時，在項目許可下盡可能選用低倍率鏡頭。如果項目要求比較苛刻時，傾向選擇高景深的尖端鏡頭。3、芯片大小和相機接口：例如2/3”鏡頭支持最大的工業(yè)相機耙面為2/3”,它是不能支持1英寸以上的工業(yè)相機。4、注意與光源的配合，選配合適的鏡頭。5、可安裝空間：在方案可選擇情況下，讓客戶更改設備尺寸是不現(xiàn)實的。對鏡頭的選擇，我們首先必須先確定客戶需求：典型案例齒輪項目該項目的基本要求是：檢測齒輪滾軸的安裝質(zhì)量（缺失）和滾軸的直徑公差200微米。在線檢測速度為2個/秒。相機的選擇：

客戶需求200um，根據(jù)精度=FOV/Resolution，測量齒輪實際大小為48mm，加上邊緣寬度，以60mm作為FOV(H)，以此數(shù)據(jù)算的相機Resolution=FOV(H)/精度=60/0.2=300,故選擇640*480分辨率,曝光時間至少1/2S的工業(yè)相機。鏡頭的選擇

由于這個項目上對檢測環(huán)境沒有特殊要求，人為設定WD=200mm，CCDSize根據(jù)相機參數(shù)1/4”(對角線長度),