机器视觉相机镜头选型与应用

1、机器视觉机器视觉相机相机、镜头介绍介绍An Introduction of Machine Vision Camera and Lens苏州方向科技有限公司版权所有苏州方向科技有限公司版权所有Suzhou Compass Technology Corp. Ltd. Copyrights 2011-2012Suzhou Compass Technology Corp. Ltd. Copyrights 2011-2012Topic 内容内容 机器视觉机器视觉相机、镜头相机、镜头基础知识基础知识 典型案例典型案例工业相机工业相机 相机常见分类相机常见分类 按照芯片类型可以分为CCD相机、CMOS相机

2、； 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工业相机的基本参数1. 分辨率(Resolution):相机每次采集图像的像素点数(Pixels)，对于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，对于模拟相机机则是取决于视频制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480。 2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素数据的位数，一般常用的是8Bi

3、t，对于数字工业相机机一般还会有10Bit、12Bit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面的大小。目前数字工业相机像元尺寸一般为3m-10m，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。 Field Of View Pixel Size = Camera Resolution工业相机的基本参数工业相机的基本参数3. 帧速率(Frame Rate):相机采集传输图像的速率，对于面阵相机机一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(Shutte

4、r):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 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大,相互之间的信号干扰越小. 常用的工业相机品牌常用的工业相机品牌品牌品牌产地产地相机类型相机

5、类型THE IMAGING SOURCETHE IMAGING SOURCE美国线阵相机、面阵相机IDS uEyeIDS uEye美国线阵相机、面阵相机、智能相机MicroscanMicroscan美国面阵相机、智能相机JAIJAI丹麦线阵相机、面阵相机、摄像机DalsaDalsa加拿大线阵相机、面阵相机TeliTeli日本线阵相机、面阵相机COGNEXCOGNEX美国智能相机I-Cite支持的工业相机品牌支持的工业相机品牌品牌品牌品牌品牌品牌品牌MV1000MV1000Pci1424 uEye DirectPX610PX610DM4X1 PicoloPXR800PXR800DFGBW1Dal

6、sa X64-CL ExpressIMPERXVCEIMPERXVCEEpix Pixci SISenTech DirectMicroPixMicroPixDomino MiniLeutron DirectDirectShowDirectShowMatrox Meteor IIJAI DirectOpteonDirectOpteonDirectDomino Alpha 2 AsyncDalsa Genie工业镜头的接口工业镜头的接口C型： C型接口镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的位置）的距离为17.5mmCS型： CS型接口此距离为12.5mm. CS型镜头与CS型

7、摄像机可以配合使用。C型镜头与CS型摄像机之间增加一个 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的镜头工业镜头C型口与型口与CS型口区别型口区别 接圈工业镜头的基本参数工业镜头的基本参数视场视场(Field of view, 即即FOV，也叫视野范，也叫视野范围围) ：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。（视场范围是选型中必须要了解的）工作距离工作距离(Working Distance,即即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（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调？包括是否

8、有安装空间等）分辨率：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。景深景深 (Depth of view，即，即DOF)：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力（需要了解客户对景深是否有特殊要求？）工业镜头的基本参数工业镜头的基本参数焦距（焦距（f f）焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。焦距大小的影响情况：焦距大小的影响情况： 焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸变越大； 焦距越小，渐晕 现象越严重，使像差边缘的照度降低；工业

9、镜头的基本参数工业镜头的基本参数 失真（失真（distortion）：（）：（衡量镜头性能的指标之一） 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。光圈与光圈与F值值 光圈是一个用来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，f4。工业镜头的基本参数工业镜头的基本参数光圈大小的影响情况：光圈大小的影响情况： 光圈越大，图像亮度越高；景深越小；分辨率越高；像场中央与边缘：像场中央与边缘：一般像场中心较边缘分辨率高；像场中心较边缘光场照度高光波长度的影响：光

10、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工业镜头的基本参数用于计算主要缩放比例的公式如下：用于计算主要缩放比例的公式如下：PMAG = CCD Size / FOV图图 2: 主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图光学放大倍数光学放大倍数工业镜头的主要类别：常用摄像镜头工业镜头的主要类别：常用摄像镜头主要参数有焦距f 光圈数F和视场2. 经验公式：1/F *tanf=

11、CF型接口类型摄像镜头焦距表型接口类型摄像镜头焦距表（mm）C,CS型接口类型摄像镜头焦距表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7.5,1517,2024,28,3550类型1/31/3 ,1/2 2/3 ,1 焦距2.8-3.53.5-68-75常用摄像镜头参数常用摄像镜头参数近摄透镜近摄透镜 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，目标像的畸变增大了，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。工业镜头的主要类别：近摄镜头工业镜头的主要类别：近摄镜头 近摄镜头近摄镜头与近摄镜头相反，为了对远距离目标摄取

12、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.工业镜头的主要类别：远摄镜头工业镜头的主要类别：远摄镜头 远摄镜头镜远摄镜头镜物方远心镜头物方远心镜头物方远心镜头采用平行光路设计，将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上。可以消除透视畸变,常用于工业精密测量，畸变极小。工业镜头的主要类别：远心镜头工业镜头的主要类别：远心镜头 远心镜头远心镜头像方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。可以获

13、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。工业镜头的主要类别：远心镜头工业镜头的主要类别：远心镜头 远心镜头远心镜头常用的工业镜头品牌常用的工业镜头品牌品牌品牌产地产地镜头类型镜头类型施耐德施耐德SchneiderSchneider德国定焦、远心卡尔蔡司卡尔蔡司ZeissZeiss德国定焦、远心TronTron日本定焦、定倍、远心、连续变倍MoritexMoritex日本定焦、定倍、远心、连续变倍SPACECOMSPACECOM日本百万像素定焦COMPUTARCOMPUTAR日本百万像素定焦宾得宾得PENTAXPENTAX日本百万像素定焦腾龙腾龙TAMRONTAMRON日

14、本百万像素定焦精工精工日本百万像素定焦VSTVST日本定焦、定倍、远心、连续变倍KOWAKOWA日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Navitar zoom6000连续变倍镜头定焦镜头工业镜头的选择要点工业镜头的选择要点1、视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择、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，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。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、景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小

15、的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可的光圈；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。择高景深的尖端镜头。3、芯片大小和相机接口、芯片大小和相机接口 ：例如：例如2/3”镜头支持最大的工业镜头支持最大的工业相机耙面为相机耙面为2/3”,它是不能支持它是不能支持1英寸以上的工业相机。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、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、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。尺寸是不现实的。对镜头的选择，我们首先必须先确定客户需求：对镜头的选择，我们首先必须先确定客户需求：典型案例齿轮项目该项目的基本要求是：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，根据精度精度 = FOV / Resolution，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=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