工业相机选型知识.docx

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工业相机选型知识

1、1、1视觉系统原理描述

机器视觉就就是用机器代替人眼来做测量与判断。

机器视觉系统就是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS与CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用得图像处理系统，根据像素分布与亮度、颜色等信息,转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标得特征，进而根据判別得结果来控制现场得设备动作。

2、1、1视觉系统组成部分

视觉系统主要由以下部分组成

1、照明光源

2、镜头

3、工业摄像机

4、图像采集/处理卡

5、图像处理系统

6、英它外部设备

2、1、1、1相机篇

详细介绍：

工业相机又俗称摄像机，相比于传统得民用相机（摄像机）而言，它具有高得图像稳定性、髙传输能力与高抗干扰能力等，目前市而上工业相机大多就是基于CCD（ChargeCoupledDevice）或CMOS（plementaryMetalOxideSemiconductor）芯片得相机。

CCD就是目前机器视觉最为常用得图像传感器。

它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体,就是典型得固体成像器件。

CCD得突出特点就是以电荷作为信号，而不同于其它器件就是以电流或者电压为信号。

这类成像器件通过光电转换形成电荷包,而后在驱动脉冲得作用下转移、放大输出图像信号。

典型得CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。

CCD作为一种功能器件，与貞•空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点■:

CMOS图像传感器得开发最早出现在20世纪70年代初,90年代初期，随着超大规模集成电路（VLSI）制造工艺技术得发展,CMOS图像传感器得到迅速发展。

CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素得编程随机访问得优点。

目前,CMOS图像传感器以比12好得集成性、低功任、高速传输9宽动态范用等特点在髙分辨率与髙速场合得到了广泛得应用。

、

分类:

任何东西分类一左有它自己得分类标准,工业相机也不例外,按照芯片类型可以分为CCD相机、CMOS相机;按照传感器得姑构特件町以分为线阵相机、血阵相机;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;按照输岀信号速度可以分为普通速度相机、高速相机;按照响应频率范困可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。

区别：

1、工业相机得性能稳定可靠易于安装,相机结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长,可在较差得环境下使用，一般得数码相机就是做不到这些得。

例如：

让民用数码相机一天工作24小时或连续工作几天肯定会受不了得。

2、工业相机得快门时间非常短，可以抓拍高速运动得物体。

例如,把名片贴在电风扇扇叶上，以最大速度旋转，设置合适得快门时间，用工业相机抓拍一张图像，仍能够清晰辨别名片上得字体。

用普通得相机来抓拍，就是不可能达到同样效果得。

3、工业相机得图像传感器就是逐行扫描得，而普通得相机得图像传感器就是隔行扫描

得，逐行扫描得图像传感器生产工艺比较复杂，成品率低，出货量少，世界上只有少数公司能够提供这类产品，例如DaIsa、Sony,而且价格昂喷

4、工业相机得帧率远远离于普通相机。

工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅图片，而普通相机只能拍摄2-3幅图像，相差较大。

5、工业相机输出得就是裸数据（rawdata）,其光谱范国也往往比较宽，比较适合进行高质董得图像处理算法，例如机器视觉（MachineVision）应用。

而普通相机拍摄得图片，其光谱范国只适合人眼视觉，并且经过了mjpeg压缩，图像质童较差，不利于分析处理。

6、工业相机（IndustrialCamera）相对普通相机（DSC）来说价格校贵。

如何选择：

1、根据应用得不同分别选用CCD或CMOS相机

CCD工业相机主要应用在运动物体得图像提取，如贴片机机器视觉，当然随着CMOS技术得发展，许多贴片机也在选用CMOS工业相机。

用在视觉自动检查得方案或行业中一般用CCD工业相机比较多。

CMOS工业相机由成本低，功耗低也应用越来越广泛。

2、分辨率得选择

首先考虑待观察或待测董物体得精度,根据精度选择分辨率。

相机像素精慶二单方向视野范囤

大小/相机单方向分辨率。

则相机单方向分辨率=单方向视野范国大小/理论箱度。

柑机传感器尺寸/镜头倍率二单方向视野范围。

若单视野为5mm长，理论精度为0、02mm,则单方向分辨率二5/0.02=250o然而为增加系统稳定性，不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值，一般可以选择倍数4或更离。

这样该相机需求单方向分辨率为1000,选用130万像素已经足够。

其次瞧工业相机得输出，若就是体式观察或机器软件分析识别，分辨率高就是有帮助得；若就是VGA输出或USB输出，在显示器上观察，则还依赖于显示器得分辨率，工业相机得分辨率再离，显示器分辨率不够，也就是没有意狡得；利用存储卡或拍照功能，工业相机得分辨率高也就是有帮助得。

3、与镜头得匹配

传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸,C或CS安装座也要匹配（或者增加转接口）;

4、相机帧数选择

当被测物体有运动要求时，要选择帧数高得工业相机。

但一般来说分辨率越离，帧数越低。

2、仁仁2镜头篇

镜头得基本功能就就是实现光束变换（调制），在机器视觉系统中，镜头

得主要作用就是舟成像目标在图像传感器得光敏面上。

镜头得质量直影响到机器视觉系统得

整体性能，合理地选择与安装镜头，就是机器视觉系统设计得重要环节。

基础知识：

镜头匹配

大家如何选择合适镜头，镜头选配时需要选择与摄像机接口与CCD得尺寸相匹配得镜头。

镜头C与CS得接口方式占主流。

小型得安防用得CS接口摄像机得到普及、FA行业则大部分就是C接口得摄像机与镜头得组合。

对应得CCD尺寸.市场上一般根据用途使用2/3寸到1/3寸得产品。

CCDCCD尺寸

水平:

H垂直:

V对角：

D

2/3型

8、8

6、6

1仁0

1/2型

6、4

4、8

8、0

1/3型

4、8

3、6

6、0

1/4型

3、6

2、7

4、5

35mm胶片

36、0

24、0

43.3

互换性

C接口镜头可以与C接口摄像机、CS接口摄像机互用；

CS接口镜头不可以应用在C接口摄像机，只可以应用在CS接口摄像机。

KERARE

摄像机如果使用配备小CCD尺寸得镜头，那么周边没有摄取到图像得部分呈现出黑邑，我们称其为KERAREo

镜头得作用：

将折射率不同得各种硝材通过研磨，加工成高精厦得曲面、把这些镜头进行组合，就就是设计镜头。

从伽利略时代开始使用得普遍技术就是其基本原理。

为得到更淸晰得图像，一直在研究开发试制新得硝材与非球面镜片。

焦距

焦距就是主点到成像面得距离°这个数值决定了摄影范国得不同。

数值小，成像面距离主点近，就是短焦距镜头。

这种情况下得得画角就是广角、可拍摄广大得场景。

相反得、主点到成像面得距离远时、就是长焦距镜头，画角变窄（望远）。

镜头通光量

镜头得明亮度与口径与焦距得变化有关。

一般用F值表示镜头得明亮度，另外镜头里有用于调整亮度得光圏构件，可根据使用条件来调整通光量。

镜头计算公式

Y=f*tan0y:

像得大小f:

焦距6:

半画角

6=2tan-1*y/2f

例：

1/2寸摄像机配12、亦镜头时画面横向得视场面就是:

6=2tan-1*6.4/2*12.5=28.72

镜头得景深

物体与钱头之间距离（W、D）虽然变化,介在祈后一定范囤内所成像仍然感觉淸晰，这个距离范国补称为景深。

相反得，对应于确定得物平面，成像面与镜头之间得距离不同，但在一定得范围内图像仍感觉清晰，称为焦深。

计算方式：

景深二F*£*（1/B）

E容许弥散园参数2/3=0、02、1/2=0.015.1/3=0.01、0倍率。

工业镜头选择

不同工业镜头得成像质量有着有着千差万别，就算就是同一类型得工业镜头也就是如此，这主要就是由于材质、加工精度与镜片结构得不同等因素造成得，同时也导致不同档次得工业镜头镜头价格从几百元到几万元得巨大差异。

比较著名得如四片三组式天塞镜头、六片四组式双高斯镜头。

对于镜头设计及生产厂家，一般用光学传递函数OTF（Optical

TransferFunction）来综合评价镜头成像质量，光学系统传递得就是亮度沿空间分布得信息,光学系统在传遏被摄景物信息时，被传递之各空间频率得正弦波信号，其调制度与位相在成实际像时得变化，均为空间频率得函数，此函数称为光学传递函数。

OTF—般由调制传递函数MTF（ModulationTransferFunction）与位相传递函数PTF（PhaseTransferFundion）两部分组成。

像差就是影响图像质量得电要方面，常见得像差有如下六种：

球差：

由主轴上某一物点向光学系统发出得单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角得各•光线，不能交于主轴上得同一位置，以至在主轴上得理想像平面处，形成一弥散光斑（俗称模糊圈），则此光学系统得成像误差称为球差。

意差：

由位于主轴外得某一轴外物点，向光学系统发出得单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若在理想像平面处不能结成淸晰点，而就是结成拖着明亮尾巴得意星形光斑，则此光学系统得成像误差称为意差。

像散：

由位于主轴外得某一轴外物点，向光学系统发出得斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个淸晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统得成像误差称为像散。

场曲：

垂直于主轴得平面扬体经光学系统所结成得清晰影像，若不在一垂直于主轴得像平面内，而在一以主轴为对称得弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统得成像误差称为场曲。

当调焦至画面中央处得影像清晰时，画面四周得影像模糊；而当调焦至画面四周处得影像清晰时，画面中央处得影像又开始模糊。

色差：

由白色物体向光学系统发出一束白光,经光学系统折射后，各邑光不能会聚于一点上，而形成一彩色像斑，称为色差。

色差产生得原因就是同一光学玻璃对不同波长得光线得折射率不同，短波光折射率大，长波光折射率小。

畸变：

筱摄物平面内得主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统得成像误差称为畸变。

畸变像差只影响影像得几何形状，而不影响影像得清晰度。

这就是畸变与球差、慧差、像散、场曲之间得根本区别。

在评价工业镜头质量时一般还会从分辨率、明锐度与景深等几个实用参数判断：

1、分辨率（Resolution）:

又称鉴别率、解像力，指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节得能力，制约工业镜头分辨率得原因就是光得衍射现象，即衍射光斑（爱里斑）。

分辨率得单位就是“线对/毫米“（lp/mm）。

2、明锐度（Acutance）:

也称对比度，就是指图像中最.亮与最皓得部分得对比度。

3、景深（DOF）:

在景物空间中，位于调焦物平面前后一定距离內得景物，还能够结成相对淸晰得影像。

上述位于调焦物平面前后得能结成相对清晰影像得景物间之纵深距离，也就就是能在实际像平面上茯得相对清晰影像得景物空间深度范围，称为景深。

4、最大相对孔径与光團系数：

相对孔径,就是指该工业镜头得入射光孔直径（用D表示）与焦距（用f表示）之比，即：

相对孔径二D/fo相对孔径得倒数称为光圏系数（apertureseale）,又称为f/制光圈系数或光孔号码。

一般镜头得相对孔径就是可以调节得，其最大相对孔径或光團系数往往标示在工业镜头上，如1:

1、2或f/1、2o如果拍摄现场得光线较暗或曝光时间很短，则需要尽量选择罠大相对孔径较大得工业镜头。

工业镜头各参数间得相互影响关系

一支好得工业镜头，在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好得体现，对各■种像差得校正也比较好,但同时其价格也会几倍甚至上百倍得提高。

如果我们掌握一些规律与经验，就可以使用同档次得工业镜头达到更好得效果。

1、焦距大小得影响情况

焦距越小，景深越大；焦距越小，畸变越大;

焦距越小，渐晕现象越严莹，使像差边缘得照慶降低；

2、光圈大小得影响情况

光圏越大，图像亮度越為；

光圈越大，景深越小：

光圈越大，分辨率越高；

3、像场中央与边缘

一般像场中心较边缘分辨率离

一般像场中心较边缘光场照度爲

4、光波长度得影响

2.1＞1.3光源篇

机器视觉系统中最关键得一个方面就就是选择正确得照明，机器视觉光源直接影响到图像得质量，进而影响到系统得性能。

所以我们说光源起到得作用：

就就是获得对比鲜明得图像。

为什么要用光源？

机器视觉系统得核心就是图像采集与处理。

所有信息均来源于图像之中，图像本身得质量对整个视觉系统极为关键。

而光源則就是影响机器视觉系统图像水平得重要因素，疑问它直接影响输入数据得质量与至少30%得应用效果

通过适当得光源照明设计，使图像中得目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别得难度，同时提高系统得定位、测量精度，使系统得可靠性与综合性能得到提离。

反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计与成像系统设计中事倍功半。

因此，光源及光学系统设计得成敗就是决定系统成敗得首要因素。

在机器视觉系统中，光源得作用至少有以下几种：

1＞、照亮目标，提高目标亮厦；

2＞、形成最有利于因像处理得成像效果；

3＞、克服环境光干扰，保证图像得稳定性；4＞、用作測量得工具或参照;由于没有通用得机器视觉照明设备，所以针对每个特定得应用实例，要设计形影得照明装置，以达到最佳效果。

机器视觉系统得光源得价值也正在于此。

图像得质量好坏，也就就是瞧图像边缘就是否得锐利，具体来说：

1、将感兴趣部分与其她部分得灰度值差异加大

2、尽量消隐不感兴趣部分

3、提离信噪比，利于图像处理

4、滅少因材质、照射角度对成像得影响

常用得有LED光源、卤素灯（光纤光源）、鬲频荧光灯。

目前LED光源最常用，主要有如下几个特点：

•可制成各种形状、尺寸及各种照射角度；

・可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度；

-通过散热装置，散热效果更好，光亮度更稳定；

-使用寿命长；

-反应快捷，可在10微秒或更短得时间内达到灵大亮度；

•电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快，可以用作频闪灯；

•运行成本低.寿命长得LED,会在综合成本与性能方面体现出更大得优势；

・可根据客户得需要，进行特殊设计。

LED光源按形状通常可分为以下几类：

1.环形光源

环形光源提供不同照射角度、不同颜邑组合，更能突出扬体得三维信息；离密度LED阵列，鬲亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，光线均匀扩散。

应用领域:

PCB基板检测，IC元件检测，显微镜照明，液晶校正，塑胶容器检测，集成电路印字检查

2、背光源

用鬲密度LED阵列面提供高强度背光照明，能究出物体。

得外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜得载物台。

红白两用背光源、红蓝多用背光源，能调配出不同颜邑，满足不同被测物多色要求。

应用领域:

机械零件尺寸得测量，电子元件、IC得外型检测，胶片污点检测，透明物体划痕检测等。

3、条形光源

条形光源就是较大方形结构被测物得首选光源；颜邑可根据需求搭配，自由组合；照射角度与安装随意可调。

应用领域:

金属表面检查，图像扫描，表面裂缝检测丄CD面板检测等。

4、同轴光源

同柚光源可以消除物体表面不平整引是得阴影，从而减少干扰;部分釆用分光镜设计，减少光损失，提离成像清晰度，均匀照射物体表面。

应用领域：

系列光源最适宜用于反射度扱鬲得物体，如金属.玻璃、胶片、晶片等表面得划伤检测，芯片与硅晶片得破损检测,Mark点定位，包装条码识别。

5、AOI专用光源

不同角度得三邑光照明，照射凸显焊锡三维信息；外加漫射板导光，减少反光；不同角度组合；应用领域：

用于电路板焊锡检测。

6、球积分光源

具有积分效果得半球面内壁，均匀反射从底部360度发射出得光线，使整个图像得照度十分均匀。

应用领域：

合于曲面，表面凹凸，弧形表面检测，或金厲、玻璃表面反光较强得物体表面检测。

7、线形光源

超高亮度，釆用柱面透镜聚光，适用于冬种流水线连续检测场合。

应用领域：

阵相机照明专用，A0I专用。

8、点光源

大功率LED,体积小，发光强度高；光纤卤素灯得替代品，尤其适合作为镜头得同轴光源等；高效散热装置，大大提高光源得使用寿命。

应用领域:

适合远心镜头使用，用于芯片检测,Mark点定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

9、纽合条形光源

四边配置条形光，毎边照明独立可控；可根据被测物要求调整所需照明角皮，适用性广。

应用案例：

CB基板检测，IC元件检测，焊锡检查,Mark点定位，显微镜照明，包装条码照明，球形物体照明等。

10、对位光源对位速度快；视场大；精度离；体积小，便于检测集成；亮度高，可选配辅助环形光源。

应用领域:

VA系列光源就是全自动电路板印刷机对位得专用光源。

光源得选型：

—、前提信息

1、检测内容

外观检查、OCR、尺寸测定、定位

2、对象物

1想瞧什么？

（异物、伤痕、缺损、标识、形状等）

2表面状态（镜面、糙面、曲面.平面）

3立体？

平面？

4材质、表面颜色

5视野范围？

6动态还就是静态（相机快门速度）

3、限制条件

1工作距离（镜头下端到被测物表面距离）

2设置条件（照明得大小、照明下端到被测物表面得距离、反射型or透射型）

3周围环境（温度、外乱光）

4相机得种类，面阵or线阵

二、简单得预备知识：

1.因材质与厚度不同、对光得透过特性（透明度）各异。

2.光根拠其波长之长短、对物质得穿透能力（穿透率）各异。

3•光得波长越长、对物质得透过力越强，光得波长越短、在物质表面得拡散率越大。

4•透射照明、即就是使光线透射对象物、并観察其透过光之照明手法。

三、光源:

1•穗定均匀得光源极其重要

2.目得：

将被测物与背景尽量明顕区分

3.摂取图像时、最重要之处就是如何鲜明地获得:

被测物与背景得浓淡差

4.目前、在图像处理领域中最广范得技术手法就是：

二值化（白黑）处理

为了能够突出特征点，将特征图像突出出来，在打光手法上，常用得包括有明视野与暗视野。

明视野：

用直射光来视察对象物整体（散乱光呈黒色）

暗视野：

用散乱光来覘察对象物整体值射光呈白色）具体得光源选取方法还在于试验得实践经验。