机器视觉相机镜头选型与应用

1、机器视觉相机、镜头介绍An Introduction of MachineVision Camera and Lens苏州方向科技有限公司版权所有Suzhou Compass Technology Corp. Ltd. Copyrights ©2011-2012Topic内容器视觉相机、镜头基础知识典型案例工业相机相机常见分类-按照芯片类型可以分为CCD相机、CMOS相机；-按照传感器的结构特性可以分为线阵相机、面阵相机; -按照扫描方式可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机;-按照分辨率大小可以分为普通分辨率相机、高分辨率 相机；-按照输出信号方式可以分为模拟相机、数字相机； -按照输

2、出色彩可以分为单色（黑白）相机、彩色相机;工业相机的基本参数1.分辨率(Resolution)湘机每次采集图像的像素点数(Pixels),对数字工业相机机一般是 直接与光电传感器的像元数对应的，对J：模拟相机机则是取决于视频制式，PAL制为 768*576, NTSC制为640*480o2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素数据的位数,一般常用的是8Bit,对于数字工业相机机 一般还会有lOBit、22Bit等。3. 像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机机靶而的大小。目前数 字匸业相机像元尺寸一般为3m-10nm, 一般像元尺寸越小，制造难度越

3、大，图像质量也越 不容易提咼。Field Of View工业相机的基本参数3帧速率(Frame Rate)湘机采集传输图像的速率，对于面阵相机机般为 每秒采集的帧数(Frames/Sec.),对于线阵相机机为每秒采集的行数(Hz)。4.曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter):对于线阵相机都是逐行曝光的 方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵工业相机有帧曝光、场曝 光和滚动行曝光等几种常见方式，数字工业相机机一般都提供外触发采 图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速工业相机还可以更快。5传感器尺寸(Sensor

4、Size)如1/2 1/3 2/3等。传感器尺寸越大，理论上 可以聚集更多的感光单元可以获得更高的相素。在相素不变的情况下，相 机传感器尺寸越大，噪点控制能力越强，因为单个感光元件之间的间距越人 '相互之间的信号干扰越小.常用的工业相机品牌©w品牌产地相机类型THE IMAGING SOURCE美国线阵相机、面阵相机IDS uEye美国线阵相机、面阵相机、智能和机Microscan美国面阵相机、智能相机JAI丹麦线阵相机、面阵相机、摄像机Dalsa加拿大线阵相机、面阵相机Teli日本线阵相机、面阵相机COGNEX美国智能相机 lCite支持的工业相机品牌口抽 口口牌品牌品牌M

5、V1000Pcil424uEye DirectPX610DM4X1PicoloPXR800DFGBW1Dalsa X64-CL ExpressIMPERXVCEEpix Pixci SISen Tech DirectMicroPixDomino MiniLeutron DirectDirectShowMatrox Meteor IIJAI DirectOpteonDirectDomino Alpha 2 AsyncDalsa Genie工业镜头工业镜头的接口- C型：C型接口镜头与摄像机接触而至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的 位置）的距离为17. 5nmi- CS型：CS型接口此距离

6、为12. 5nmiCS型镜头与CS型摄像机可以配合使用。C型镜 头与CS型摄像机Z间增加一个5mm的C/CS转接环可以配合使用。CS型镜头与C型摄 像机无法配合使用。- F型：通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头12.5nm17.526mm工业镜头的基本参数视场(Field of view,即FOV,也叫视野范指观测物体的可视范围，也就是充Sensor SizeCameraResolutionWorking ;DistanceDepth OfS满相机采集芯片的物体部分。()工作距离(Working Distance，即WD):指 从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰 成像的表面距离()

7、分辨率：图像系统可以测到的受检验物体 上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下 ,视野越小，分辨率越好。景深(Depth of view,即DOF)：物体离最住焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力焦距(f)焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从 畀皺驚礬幽蠶的距离。亦是照相机中从镜片中心到底彖的矗謝畸变越大；焦距越小'焦距大小的影响情况：渐晕现象蠶針景深越大;失真(distortion):()又称畸变，指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变 为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的 几何形状，而不影响影像的清晰度。it光圈与F值光圈是一个用來

8、控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1.4, f2, EL人光圈小光圈©wLow f# (Lorgs Aperture)光圈大獻情舷亮度越高;F 景深越小；分辨率越高；【Moxirnum Blur Alkwoble f Vo Dbfnn D«ired Rftolulion像场中央与边缘：般像场中心较边缘分辨率高; 像场中心较边缘光场照度高High i# (Small AMrtuit)光波长度的影响：在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波 长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位 置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单

9、色光作为照明光源, 对提高系统精度有很大的作用。工业镜头的基本参数光学放大倍数用于计算主要缩放比例的公式如下:PMAG=CCD Size /FOVIMAGELENSPMAGTPMAG>1图2:主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图工业镜头的主要类别：常用摄像镜头常用摄像镜头参数主要参数有焦距f光圈数F和视场2co经验公式：1/F*tanco V f=CF型接口类型摄像镜头焦距表(mm)类型鱼眼型超广角型广角型标准型焦距7.5J517,2024,28,3550C, CS型接口类型摄像镜头焦距表(mm)I类型1/31/3 1/2 “2/3 阳1焦距2.8-3.53.5-68-75s&a

10、mp;tr工业镜头的主要类别：近摄镜头近摄镜头近摄透镜在摄像镜头前端拧上一个近摄透镜，可以摄取到更近 距离目标的像。采用近摄镜后，冃标像的畸变增大了，为 此，近摄透镜的屈光率不能太大，使原工作距离的缩短量 一般不超过20 %。©w工业镜头的主要类别：远摄镜头远摄镜头镜与近摄镜头相反，为了对远距离目标摄取到清晰图像, 要采用远摄镜头。这种镜头是一长焦距镜头。远摄镜 头可以是折射系统、反射系统或折反射系统。反射式 远摄镜头常采用卡塞格林式远摄镜头折反式远摄镜头 由于采用前部校正透镜，其成像质量更加良好.3觸I工业镜头的主要类别：远心镜头远心镜头物方远心镜头物方远心镜头采用平行光路设计，将

11、孔径光阑放置在光学系 统的像方焦平面上。口 J以消除透视畸变,常用于工业精密测量，畸变极小。OPTICS COATING RESEARCH INC107 MRN-TO AV三 CAKt QNC N.T 07'-.G6r 7riTFHKICTELCFNSVSZ7 7MXCONFIGUCRrION I OF 3LAYOUT5.0 X F/7DUAL""TELECENTRICMUN jUL 21 2003'0 I309.21 3-2工业镜头的主要类别：远心镜头远心镜头像方远心镜头像方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的物 方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴。可以

12、获得更好的像面照度的均匀性，图像不会出现 阴影，常用于医学图像处理。©w常用的工业镜头品牌品牌产地镜头类型施耐德Schneider德国定焦、远心卡尔蔡司Zeiss德国定焦、远心p Tron口本定焦、定倍、远心、连续变倍Moritex日本定焦、定倍、远心、连续变倍SPACECOM口本百万像素定焦COMPUTAR口本百万像素定焦宾得PENTAX口本百万像素定焦腾龙TAMRON日本百万像素定焦精工日本百万像素定焦VST日本定焦、定倍、远心、连续变倍KOWA口本百万像素定焦常用镜头图片定倍远心镜头Navitar zoom6000连续变倍镜头组件走焦镜头 Navitar Zoom6000 ;,

13、、- 连续变倍镜头工业镜头的选择要点对镜头的选择，我们首先必须先确定客户需求: 1、视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择 镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头， 以有利于运动控制。2、景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小 的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可 能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选 择高景深的尖端镜头。 3、芯片大小和相机接口 :例如2/3”镜头支持最大的工业 相机耙面为2/3S它是不能支持1英寸以上的工业相机。 4、注意与光源的配合，选配合适的镜头。 5、可安装空间：在方案可选择情况下，让客户更改设备 尺寸是不现实的。典型案

14、例齿轮项目该项冃的基本要求是：检测齿轮滚轴的安装质量(缺失)和滚轴的直径 公差200微米。在线检测速度为2个/秒。相机的选择：客户需求200um,根据 泪辛了，测量齿轮实际大小为48mm,加上边缘宽度，以60mm作为FOV(H),以此数据算的相机 Resolution二FOV(H)/精度=60/0.2=300,故选择640*480分辨率，曝光时间至少 1/2 S的工业相机。镜头的选择由于这个项目上对检测环境没有特殊要求，人为设定WD=200mm, CCD Size根据相机参数1/4”(对角线长度)滦16转换为4mm,再根据4:3的比例 ,勾股定理算出水平的直角边为3.2mmo根据f=CCD S

15、ize*WD/FOV=3.2*200/60=10.6mm,故选择 12mm定焦可满足需求。典型案例齿轮项目综上所述选择640*480分辨率、曝光时间为1/10000 S到30 S的工业相机, 12mm定焦CCTV镜头。Ml 2 L«lMP理号畫高分辨 !素尺寸 ，感器粪型 忌感器光学戻寸.IdEE瘫 ：/048 口 冋透)； 黄头装酉己接口 i 俞岀方式|些电要求 同步方式 司编程控制i逞光日寸间 工作溫存放温|尺寸(W*H*D) 量里功率MV-VDO3DSM/SC640x4805 S LUTix5 S LlTTl 扫描元市"T7"&0£ps大于三1 SlTJTl血兴慈彳壬与体:炬之匕匕白勺帰大tft1 X 1 . <1西樂毋大尺寸SC- 8：nun X 曰.(5Tran C<p 1 1 TTaJTL>工作re阪F L- «1-P 1 SC:Ct dJ 1 Bttl工(空制比覘于幼列寸*大小1 2 口 CH) um.X S. 3 <V) um 2Z3 -DV9 2 °3T. O o視铭1H2/3 rr0O. 4 o1Z2 rr3D- O oV30. 8 °22- 7 o工作駅应-20X3-一- 6 OPN/R rr在 中，“址环口辽3$空扯；»5辿1 OI破S?寸/mn