機(jī)器視覺相機(jī)鏡頭選型與應(yīng)用

1、機(jī)器視覺相機(jī)、鏡頭介紹An Introduction of Machine Vision Camera and Lens,蘇州方向科技有限公司版權(quán)所有Suzhou Compass Technology Corp. Ltd. Copyrights ©2011-2012,Topic 內(nèi)容,機(jī)器視覺相機(jī)、鏡頭基礎(chǔ)知識(shí)典型案例,工業(yè)相機(jī),相機(jī)常見分類按照芯片類型可以分為CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)；按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以

2、分為線陣相機(jī)、面陣相機(jī)；按照掃描方式可以分為隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)；按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)；按照輸出信號(hào)方式可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)；按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)；,工業(yè)相機(jī)的基本參數(shù),1. 分辨率(Resolution):相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)(Pixels)，對(duì)于數(shù)字工業(yè)相機(jī)機(jī)一般是 直接與光電傳感器的像元數(shù)對(duì)應(yīng)的，對(duì)于模擬相機(jī)機(jī)則是取決于視頻制式，PAL制為768

3、*576，NTSC制為640*480。 2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字工業(yè)相機(jī)機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit等。 3.像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元數(shù)(分辨率)共同決定了相機(jī)機(jī)靶面的大小。目前數(shù)字工業(yè)相機(jī)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。

4、 Field Of View Pixel Size = —————————— Camera Resolution,工業(yè)相機(jī)的基本參數(shù),3. 幀速率(Frame Rate):相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對(duì)于面陣相機(jī)機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)(Frames/Sec.)，對(duì)于線陣相機(jī)機(jī)為每秒采集的行數(shù)(Hz)。4. 曝光方式(Exposure)和快門速度(Shutter):

5、對(duì)于線陣相機(jī)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(shí)間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間；面陣工業(yè)相機(jī)有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見方式，數(shù)字工業(yè)相機(jī)機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功能?？扉T速度一般可到10微秒，高速工業(yè)相機(jī)還可以更快。5.傳感器尺寸(Sensor Size) 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

6、情況下,相機(jī)傳感器尺寸越大,噪點(diǎn)控制能力越強(qiáng),因?yàn)閱蝹€(gè)感光元件之間的間距越大,相互之間的信號(hào)干擾越小.,常用的工業(yè)相機(jī)品牌,I-Cite支持的工業(yè)相機(jī)品牌,工業(yè)鏡頭的接口C型： C型接口鏡頭與攝像機(jī)接觸面至鏡頭焦平面（攝像機(jī)CCD光電感應(yīng)器應(yīng)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(jī)可以配合使用。C型鏡頭與CS型攝像機(jī)之間增加一個(gè) 5mm的C/CS轉(zhuǎn)接環(huán)可以配合使用。CS型鏡頭

7、與C型攝像機(jī)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(chǎng)(Field of view, 即FOV，也叫視野范圍) ：指觀測(cè)物體的可視范圍，也就是充滿相機(jī)采集芯片的物體部分。（視場(chǎng)范圍是選型中必須要了解的）工作距離(Working Distance,即WD):指從鏡頭前部到受檢驗(yàn)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)？

8、包括是否有安裝空間等）分辨率：圖像系統(tǒng)可以測(cè)到的受檢驗(yàn)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 (Depth of view，即DOF)：物體離最佳焦點(diǎn)較近或較遠(yuǎn)時(shí)，鏡頭保持所需分辨率的能力（需要了解客戶對(duì)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(xué)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(diǎn)的距離。亦是照相機(jī)中，從鏡片中心到底片或CCD等成像平面的距離。

9、焦距大小的影響情況： 焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸變?cè)酱螅?焦距越小，漸暈 現(xiàn)象越嚴(yán)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(biāo)之一） 又稱畸變，指被攝物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變?；兿癫钪挥绊懹跋竦膸缀涡螤?，而不影響影像的清晰度。,光圈與F值 光圈是一個(gè)用來控制鏡頭通光量裝置

10、，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達(dá)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?。环直媛试礁?；像場(chǎng)中央與邊緣：一般像場(chǎng)中心較邊緣分辨率高；像場(chǎng)中心較邊緣光場(chǎng)照度高光波長(zhǎng)度的影響：　　在相同的工業(yè)相機(jī)及鏡頭參數(shù)條件下，照明光源的光波波長(zhǎng)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(cè)量的視覺系統(tǒng)中，盡量采用短波長(zhǎng)的單色光作為照明光源，對(duì)提高系

11、統(tǒng)精度有很大的作用。,工業(yè)鏡頭的基本參數(shù),用于計(jì)算主要縮放比例的公式如下：PMAG   =  CCD Size / FOV,圖 2:  主要縮放比例、感光芯片尺寸和視場(chǎng)的關(guān)系示意圖,光學(xué)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(chǎng)2ω. 經(jīng)驗(yàn)公式：1/F *tanω√f=C,F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),常用攝像鏡

12、頭參數(shù),近攝透鏡 在攝像鏡頭前端擰上一個(gè)近攝透鏡，可以攝取到更近距離目標(biāo)的像。采用近攝鏡后，目標(biāo)像的畸變?cè)龃罅?，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(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)攝取到清晰圖像，要采用遠(yuǎn)攝鏡頭。這種鏡頭是一長(zhǎng)焦距鏡頭。遠(yuǎn)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(yuǎn)攝鏡頭常采用卡塞格林式遠(yuǎn)攝鏡頭.折反式遠(yuǎn)攝鏡頭由于采用前部校正透鏡

13、，其成像質(zhì)量更加良好.,工業(yè)鏡頭的主要類別：遠(yuǎn)攝鏡頭,遠(yuǎn)攝鏡頭鏡,物方遠(yuǎn)心鏡頭物方遠(yuǎn)心鏡頭采用平行光路設(shè)計(jì)，將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上?？梢韵敢暬?常用于工業(yè)精密測(cè)量，畸變極小。,工業(yè)鏡頭的主要類別：遠(yuǎn)心鏡頭,遠(yuǎn)心鏡頭,像方遠(yuǎn)心鏡頭像方遠(yuǎn)心鏡頭是將孔徑光闌放置在光學(xué)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(huì)出現(xiàn)陰影，常用于醫(yī)學(xué)圖像處理。,工業(yè)鏡頭的主要類別：遠(yuǎn)心鏡

14、頭,遠(yuǎn)心鏡頭,常用的工業(yè)鏡頭品牌,常用鏡頭圖片,定倍遠(yuǎn)心鏡頭,Navitar zoom6000連續(xù)變倍鏡頭組件,Navitar zoom6000連續(xù)變倍鏡頭,定焦鏡頭,工業(yè)鏡頭的選擇要點(diǎn),1、視野范圍、光學(xué)放大倍數(shù)及期望的工作距離：在選擇鏡頭時(shí)，我們會(huì)選擇比被測(cè)物體視野稍大一點(diǎn)的鏡頭，以有利于運(yùn)動(dòng)控制。2、景深要求：對(duì)于對(duì)景深有要求的項(xiàng)目，盡可能使用小的光圈；在選擇放大倍率的鏡頭時(shí)，在項(xiàng)目許可下盡可能選用低倍率鏡頭。如果項(xiàng)目要求

15、比較苛刻時(shí)，傾向選擇高景深的尖端鏡頭。3、芯片大小和相機(jī)接口 ：例如2/3”鏡頭支持最大的工業(yè)相機(jī)耙面為2/3”,它是不能支持1英寸以上的工業(yè)相機(jī)。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(shè)備尺寸是不現(xiàn)實(shí)的。,對(duì)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(xiàng)目該項(xiàng)目的基本要求是：檢測(cè)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(cè)速度為2個(gè)/秒。相機(jī)的

16、選擇： 客戶需求200um，根據(jù)精度 = FOV / Resolution，測(cè)量齒輪實(shí)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(jī)Resolution=FOV(H)/精度=60/0.2=300, 故選擇640*480分辨率,曝光時(shí)間至少1/2 S的工業(yè)相機(jī)。鏡頭的選擇 由于這個(gè)項(xiàng)目上對(duì)檢測(cè)環(huán)境沒有特殊要求，人為設(shè)定WD=200mm，CCD Size根據(jù)相機(jī)參數(shù)1/4