相机及镜头概述

1、相机及镜头相机及镜头实物图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上一、成像原理一、成像原理如何准确地描述一幅图像一、成像原理一、成像原理感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。一、成像原理一、成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换光电转换设备放大设备一、成像原理一、成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换CCD sensor后端电路一、成像原理一、成像原理实物图像光子模拟量（电压）电荷日光 监视器CCD sensor相机后端电路模拟相机模拟相机 + 监视器监视器一、成像原理一、成像原理实物图

2、像数字量光子模拟量（电压）电荷光源 PC 模拟采集卡CCD sensor相机后端电路模拟相机模拟相机 + 模拟采集卡模拟采集卡一、成像原理一、成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源A/D转换CCD sensor相机后端电路 PC数字采集卡数字相机数字相机 + 数字采集卡数字采集卡一、成像原理一、成像原理由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。我们常用的是 CCD 和 CMOS二、二、CCD 和和 CMOS 的比较的比较CCD ( Charge Coupled Device )电荷藕合器件图像传感器CCD，它集成在高感光度的半导体

3、单晶材料上，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )互补金属氧化物半导体，它集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。CCD IMAGE SENSOR外形CCD通用外形 为摄像系统中可记录光线变化的半导体，通常市面所见外形如下图，通常以百万像素megapixel 为单位。 CMOS Image Sensor外形CCD画素多

4、寡与尺寸大小没有绝对关系画素多寡与尺寸大小没有绝对关系 CCD外形尺寸规格 传统 4：3 的规格走向 16：9 /16：10 更宽广的界线。然而，大多数 DSC 消费型数字相机的 CCD 长宽比，依然沿袭 1950 年代电视规格标准刚制订时 4：3的标准（3：2主要仍为 DSLR 数字单眼机身所采用，另中片幅、专业数字机背享有1：1之正方形特殊规格）。主要是这方面设计变更不仅会影响成本，也会牵动至后续相机与镜头的设计。 CCD外形尺寸信息CCD sensor放大A/D光子电子电压数字信号CMOS 芯片可以在像素上同时完成这两个步骤CCD与CMOS的光电转换示意图：由上面两图可看出由上面两图可看

5、出：CMOS和CCD最大的区别是 CMOS的 电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的二、二、CCD 和和 CMOS 的比较的比较由于上面所说的结构，CCD的电路更改更方便。而由于CMOS的过分集成，电路更改不方便，但可靠性高。CMOS功耗小。CMOS噪声大。 CCD信噪比的典型值一般为4555dB。 CMOS传感器有固定比CCD传感器高10倍的噪音。CMOS速度快。由结构决定。成本CMOS便宜一些。二、二、CCD 和和 CMOS 的比较的比较CMOS灵敏度差。 CMOS传感器对光线的灵敏度不好，感光度通常比CCD传感器低10倍。人眼能看到1Lux照度（满月的夜晚）以下的目标，CCD传感器通常能

6、看到比人眼略好，大约能看到在0.13Lux照度以下的目标，是CMOS传感器感光度的3到10倍。CMOS传感器的感光度一般在6到15Lux的范围内。二、二、CCD 和和 CMOS 的比较的比较二、二、CCD 和和 CMOS 的比较的比较 因为CMOS传感器在10Lux以下基本没用，因此大量工业及广播级摄像机都使用CCD传感器，CMOS传感器一般用于低端产品。在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也不太好。 由于自身物理特性的原因，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和的成像质量和CCD还是

7、还是有一定距离的。有一定距离的。 CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高在图像的质量上更有优势。而常见的高速摄像头则会采用速摄像头则会采用CMOS芯片。芯片。感光器件类型感光器件类型工业数字相机基本知识工业数字相机基本知识分为两大类，CCD器件和CMOS器件CCDCMOS设计 单一感光器,集中统一放大每个感光器连接放大器 灵敏度 同样面积下高,感光开口小 灵敏度低 成本 线路品质影响程度高，成本高 CMOS整合集成，成本低 解析度 连接复杂度低，解析度高 新技术解析度高 噪点比 单一放大，噪点低 放大器多,特性不同，噪点高 功耗比 需外加电压，功耗高 直接放大，功耗低 按用途分类按用途分类工

8、业数字相机基本知识工业数字相机基本知识分为机器视觉相机和安防监控相机两大类机器视觉安防监控触发采集模式 含有触发采集接口无触发采集接口 分辨率从高到低都有，很丰富一般较低 程序接口 有完善的程序开发库，尤其对图像捕捉功能支持很齐全 一般只有连续视频捕捉功能价格贵很便宜数据传输接口各种类型都有，USB，千兆以太网，CameraLink，1394等等目前以模拟接口为主，数字接口较少按感光单元排列方法按感光单元排列方法工业数字相机基本知识工业数字相机基本知识分为线阵扫描相机和面阵扫描相机线阵相机面阵相机结构特点结构简单，在同等分辨率下成本较低 结构复杂，在同等分辨率下成本较高应用场合匀速运动的的物体

9、，例如工业流水线,可以是静止，也可以运动，分辨率 512/行,2k/行，4K/行640480，800600，102476820481536或者更高光源光源只需要一窄条，整个画面比较均匀，能在低照度下工作 整个面的光源较难做到均匀，照度要求高，彩色相机形式三线CCD，或者棱镜分光彩色滤光膜，bayer算法彩色形成方式彩色形成方式工业数字相机基本知识工业数字相机基本知识彩色覆膜+bayer算法棱镜分光方法镜头外形镜头外形镜头基本知识镜头基本知识一、分类一、分类 焦距焦距：短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头 视场视场：广角、标准、远摄镜头 结构结构：固定光圈定焦镜头，手动光圈定焦镜头，自动光圈定焦镜头，手

10、动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变焦镜头，电动三可变（光圈、焦距、聚焦均可变）镜头。 镜头外形镜头外形镜头基本知识镜头基本知识一、分类一、分类 标准标准镜头：视角约50 度 广角广角镜头：视角90 度以上，适用於拍摄距离近且范围大的景物，又能刻意夸大前景表现强烈远近感 特广角特广角镜头：100120 度 长焦距长焦距镜头：适于拍摄距离远的景物，景深小容易使背景模糊主体突出，但笨重且对动态主体对焦不易 反射式望远镜头反射式望远镜头：另一种超望远镜头的设计，利用反射镜面来构成影像，仅能以快门来调整曝光。 微距微距镜头（marco lens）：除作极近距离的微距摄影外也可远摄 镜头外形镜头外形

11、镜头基本知识镜头基本知识机器视觉常用定焦镜头，并且都是手动调整光圈，一般不允许自动调整光圈，镜头上有调焦和调光圈两个环，为了防止误碰动，工业镜头的两个环都有锁定螺丝。注意调焦环不是用来调整焦距，而是调整像距，保证清晰图像落在焦平面上工业镜头的接口工业镜头的接口 物镜的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即物镜的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即F F型型、C C型、型、CSCS型。型。F F型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于2525mmmm的镜头；而当物镜的焦距约小于的镜头；而当物镜的焦距约小于2525mmmm时，因物镜的尺寸不大，便时

12、，因物镜的尺寸不大，便采用采用C C型或型或CSCS型接口。型接口。工业镜头的接口工业镜头的接口C C接口和接口和CSCS接口的区别接口的区别 C C与与CSCS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机（摄像机CCDCCD光电感应器应处的位置）的距离不同，光电感应器应处的位置）的距离不同，C C型接型接口此距离为口此距离为17.5mm., CS17.5mm., CS型接口此距离为型接口此距离为12.5mm.12.5mm.。 C C型镜头与型镜头与C C型摄像机，型摄像机，CSCS型镜头与型镜头与CSCS型摄像机可以配合使型摄像机可以配合使

13、用。用。C C型镜头与型镜头与CSCS型摄像机之间增加一个型摄像机之间增加一个 5mm5mm的的C/CSC/CS转接环转接环可以配合使用。可以配合使用。CSCS型镜头与型镜头与C C型摄像机无法配合使用。型摄像机无法配合使用。视场视场(Field of view, 即即FOV，也叫视野范围，也叫视野范围) ：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？包括是否有安装空间等）分辨率：分辨率：图像系

14、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？） 镜头基本参数示意图镜头基本参数示意图工业镜头的基本参数工业镜头的基本参数常用镜头参数：分辨率常用镜头参数：分辨率镜头基本知识镜头基本知识镜头分辩率指的是在像平面处1毫米内能分辨开的黑白相间的线条对数，单位是“ 线对 / 毫米”。 CCD的芯片的分辨率越高，要求的镜头的分辨率也越高光圈越小，景深越大光圈越小，景深越大镜头基本知识镜头基本知识增加景深的问题增加景深的问题镜

15、头基本知识镜头基本知识例如除杂机里，烟叶不完全在同一个平面上，只有加大景深才能让不同距离上的烟叶都清晰。加大景深只有通过缩小光圈来实现，而缩小光圈同时会导致图像变暗，这就要求照明亮度要提高工业镜头的其他参数工业镜头的其他参数 感光芯片尺寸感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视场非常重要。镜头主要缩放比例 (PMAG) 由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸和视场，但PMAG却不属于基本参数。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

16、相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。（需要记住的公式） f=工作距离/视野范围长边（或短边）X CCD长边（或短）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。解析度解析度表示一组物镜所能见到了2点的最小间隔 解像力解像力mm中间可以看到黑白线的条数。单位（lp）/mm.MTF（Modulation Transfer Function）反映的是镜头对现实世界的再现能力。 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

17、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，f2.8 etc常用镜头参数：光圈常用镜头参数：光圈镜头基本知识镜头基本知识光圈是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光量的装置 光圈f值=镜头的焦距/镜头口径的直径 根据公式，光圈f值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多 ，每级光圈一般以倍数递增，例如f8调整到f5.6 ，进光量多一倍工业镜头各参数间相互影响关系工业镜头各参数间相互影响关系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

18、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。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 = 感光芯片尺寸感光芯片尺寸 (mm) / 视场视场 (mm)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显示放大倍数显示放大倍数显示放大倍率在显微中应用非常广泛，被测物体的显示放大倍率取决于三个因素：镜头光学倍率、