工业相机镜头光源讲解机械手CCD.docx

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工业相机镜头光源讲解机械手CCD

工业相机-镜头-光源讲解（机械手CCD）

机器视觉（相机、镜头、光源）全面概括

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1.1.1视觉系统原理描述

     机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。

机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、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的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

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.其它外部设备

输出色彩可以分为单色（黑白）相机、彩色相机；按照输出信号速度可以分为普通速度相机、高速相机；按照响应频率范围可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。

区别：

1、工业相机的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，可在较差的环境下使用，一般的数码相机是做不到这些的。

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的。

2、工业相机的快门时间非常短，可以抓拍高速运动的物体。

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

用普通的相机来抓拍，是不可能达到同样效果的。

3、工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通的相机的图像传感器是隔行扫描的，逐行扫描的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Dalsa、Sony，而且价格昂贵。

4、工业相机的帧率远远高于普通相机。

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、工业相机输出的是裸数据（rawdata），其光谱范围也往往比较宽，比较适合进行高质量的图像处理算法，例如机器视觉（MachineVision）应用。

而普通相机拍摄的图片，其光谱范围只适合人眼视觉，并且经过了mjpeg压缩，图像质量较差，不利于分析处理。

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

如何选择：

1、根据应用的不同分别选用CCD或CMOS相机

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

用在视觉自动检查的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、分辨率的选择

首先考虑待观察或待测量物体的精度，根据精度选择分辨率。

相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率。

则相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/理论精度。

若单视野为5mm长，理论精度为0.02mm，则单方向分辨率=5/0.02=250。

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或更高。

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。

其次看工业相机的输出，若是体式观察或机器软件分析识别，分辨率高是有帮助的；若是VGA输出或USB输出，在显示器上观察，则还依赖于显示器的分辨率，工业相机的分辨率再高，显示器分辨率不够，也是没有意义的；利用存储卡或拍照功能，工业相机的分辨率高也是有帮助的。

3、与镜头的匹配

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，要选择帧数高的工业相机。

但一般来说分辨率越高，帧数越低。

2.1.1.2镜头篇

      镜头的基本功能就是实现光束变换（调制），在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将成像目标在图像传感器的光敏面上。

镜头的质量直影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。

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和CCD的尺寸相匹配的镜头。

镜头C和CS的接口方式占主流。

小型的安防用的CS接口摄像机得到普及、FA行业则大部分是C接口的摄像机与镜头的组合。

对应的CCD尺寸、市场上一般根据用途使用2/3寸到1/3寸的产品。

CCD

CCD尺寸

水平：

H

垂直：

V

对角：

D

1型

12.8

9.6

16.0

2/3型

8.8

6.6

11.0

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尺寸的镜头，那么周边没有摄取到图像的部分呈现出黑色，我们称其为KERARE。

镜头的作用：

将折射率不同的各种硝材通过研磨，加工成高精度的曲面、把这些镜头进行组合，就是设计镜头。

从伽利略时代开始使用的普遍技术是其基本原理。

为得到更清晰的图像，一直在研究开发试制新的硝材和非球面镜片。

焦距

焦距是主点到成像面的距离。

这个数值决定了摄影范围的不同。

数值小，成像面距离主点近，是短焦距镜头。

这种情况下的的画角是广角、可拍摄广大的场景。

相反的、主点到成像面的距离远时、是长焦距镜头，画角变窄（望远）。

镜头通光量

镜头的明亮度与口径和焦距的变化有关。

一般用F值表示镜头的明亮度，另外镜头里有用于调整亮度的光圈构件，可根据使用条件来调整通光量。

镜头计算公式

Y=f*tanθy：

像的大小f：

焦距θ：

半画角

θ=2tan-1*y/2f

例：

1/2寸摄像机配12.5mm镜头时画面横向的视场面是：

θ=2tan-1*6.4/2*12.5=28.72

镜头的景深

物体和镜头之间距离（W.D）虽然变化，介在前后一定范围内所成像仍然感觉清晰，这个距离范围补称为景深。

相反的，对应于确定的物平面，成像面和镜头之间的距离不同，但在一定的范围内图像仍感觉清晰，称为焦深。

计算方式：

景深=F*ε*（1/β）

ε容许弥散园参数2/3=0.02、1/2=0.015、1/3=0.01、β倍率。

工业镜头选择

不同工业镜头的成像质量有着有着千差万别，就算是同一类型的工业镜头也是如此，这主要是由于材质、加工精度和镜片结构的不同等因素造成的，同时也导致不同档次的工业镜头镜头价格从几百元到几万元的巨大差异。

比较著名的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，光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息，光学系统在传递被摄景物信息时，被传递之各空间频率的正弦波信号，其调制度和位相在成实际像时的变化，均为空间频率的函数，此函数称为光学传递函数。

OTF一般由调制传递函数MTF（ModulationTransferFunction）与位相传递函数PTF（PhaseTransferFunction）两部分组成。

像差是影响图像质量的重要方面，常见的像差有如下六种：

球差：

由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角的各光线，不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴上的理想像平面处，形成一弥散光斑（俗称模糊圈），则此光学系统的成像误差称为球差。

慧差：

由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。

像散：

由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。

场曲：

垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像误差称为场曲。

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

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，各色光不能会聚于一点上，而形成一彩色像斑，称为色差。

色差产生的原因是同一光学玻璃对不同波长的光线的折射率不同，短波光折射率大，长波光折射率小。

畸变：

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。

这是畸变与球差、慧差、像散、场曲之间的根本区别。

在评价工业镜头质量时一般还会从分辨率、明锐度和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的能力，制约工业镜头分辨率的原因是光的衍射现象，即衍射光斑（爱里斑）。

分辨率的单位是“线对/毫米“（lp/mm）。

2.明锐度（Acutance）：

也称对比度，是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。

3.景深（DOF）：

在景物空间中，位于调焦物平面前后一定距离内的景物，还能够结成相对清晰的影像。

上述位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影像的景物间之纵深距离，也就是能在实际像平面上获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称为景深。

4.最大相对孔径与光圈系数：

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

相对孔径=D/f。

相对孔径的倒数称为光圈系数（aperturescale），又称为f/制光圈系数或光孔号码。

一般镜头的相对孔径是可以调节的，其最大相对孔径或光圈系数往往标示在工业镜头上，如1:

1.2或f/1.2。

如果拍摄现场的光线较暗或曝光时间很短，则需要尽量选择最大相对孔径较大的工业镜头。

工业镜头各参数间的相互影响关系

一支好的工业镜头，在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好的体现，对各种像差的校正也比较好，但同时其价格也会几倍甚至上百倍的提高。

如果我们掌握一些规律和经验，就可以使用同档次的工业镜头达到更好的效果。

1.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;

2.光圈大小的影响情况

光圈越大，图像亮度越高;

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高

一般像场中心较边缘光场照度高

4.光波长度的影响

2.1.1.3光源篇

机器视觉系统中最关键的一个方面就是选择正确的照明，机器视觉光源直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。

所以我们说光源起到的作用：

就是获得对比鲜明的图像。

为什么要用光源？

机器视觉系统的核心是图像采集和处理。

所有信息均来源于图像之中，图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。

而光源则是影响机器视觉系统图像水平的重要因素，疑问它直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果

通过适当的光源照明设计，使图像中的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、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系