机器视觉系统 - 镜头、相机介绍

1.工业相机常用分类

a.按芯片类型可分为：CCD相机、CMOS相机

b.按传感器的结构特性可分为：线阵相机、面阵相机

c.按扫描方式可分为：隔行扫描相机、逐行扫描相机

d.按分辨率大小可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机

e.按输出信号的方式可分为：模拟相机、数字相机

f.按输出色彩可以分为单色（黑白）相机、彩色相机

2.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(Piels)，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8Bit，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3μm-10μm，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。

Pixel Size =Field Of View / Camera Resolution

4).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)。

5).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10μm，高速工业相机还可以更快。

6).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。

市面上常用的相机品牌及类型如下所示：

3.工业相机的接口

1.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17.5mm。

2.CS型：CS型接口此距离为12.5mm。CS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。

3.F型：通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头。

具体的区别如下所示：

4.工业镜头的参数

1>.视场(Field Of View，即FOV，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(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（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）。

2>.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。

3>.景深 (Depth Of View，即DOV)：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）。

4>.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。

5>.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。

6>.光圈与F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。

光圈大小的影响情况：圈越大，图像亮度越高；景深越小；分辨率越高；

像场*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：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；

5.常用的工业相机品牌

通过对市面上的镜头加以整理我们可以了解一下常用的相机品牌如下所示：

6.工业镜头的选择要点

对镜头的选择，我们首先必须的了解客户的需求：

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2/3”,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。

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