机器视觉硬件选型——相机、镜头、光源

机器视觉硬件知识

1.工业相机

光信号转换成电信号，从而实现数字图像。

• CCD芯片尺寸：特殊之处——1inch == 16mm != 25.4mm
• 相机芯片尺寸：镜头尺寸≥相机芯片尺寸
• 增益：通过调节电压放大环节调节图像亮度

工业相机接口

工业相机通信接口

2.镜头

2.1重要参数

• 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理部分。※※
• 工作距离（Working Distance，WD）：指从镜头前部到受检测物体的距离，即清晰成像的表面距离（距离是否可调？是否有安装空间？）
• 分辨率：图像系统可以测到的受检测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。
• 焦距f：透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是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。

2.2远心镜头

主要是为了纠正传统工业镜头视差而设计，可以在一定物距范围内使得到的图像放大倍率不会变化，其本质是普通镜头与小孔成像原理的结合。

分类：

• 物方远心
• 像方远心
• 双侧远心

2.3镜头选型

第一部分:远心镜头的原理说明

一般镜头在成像过程中,当工作距离发生变化时,其所成图像大小会相应的发生变化,造成的结果就是同一个焦距的镜头,对应不同的物距,将会有不同的放大倍率,这一现象跟人类视觉系统的近大远小视觉差类似。这一问题在某些应用场合是可以被忽略甚至加以利用的,但是当我们的视觉系统被用来执行精密测量任务时,这一特性则会成为极大的阻碍。

普通的镜头都存在一定范围的景深,当被测物体不在镜头的景深范围内时,图像就会变得模糊,无法清晰聚焦,为此,设计师们在普通镜头上设计了调焦环,当工作距离发生变化时,可以通过调节对焦面来看清楚感兴趣的区域。问题是,如果被测物体本身的深度超出了一定范围,镜头始终没办法同时看清首尾两端

第三个问题,随着现在成像芯片分辨率的不断提高,用户对测量精度的要求也越来越苛刻,普通的镜头受制于其光学成像的原理,最好的也只能做到10um左右,视觉检测领域需要精度更高的成像产品。

第二部分:远心镜头使用范围

选用双远心镜头：

1)当被检测物体厚度较大,需要检测不止一个平面时,典型应用如食品盒,饮料瓶等。

2)当被测物体的摆放位置不确定,可能跟镜头成一定角度时。

3)当被测物体在被检测过程中上下跳动,如生产线上下震动导致工作距离发生变化时。

4)当被测物体带孔径、或是三维立体物体时。

5)当需要低畸变率、图像效果亮度几乎完全一致时。

6)当需要检测的缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到时。

7)当需要超过检测精度时,如容许误差为1um。

第三部分:远心镜头的选型方法

• 兼容的CCD靶面尺寸。这一点跟普通镜头的选择类似,要求远心镜头兼容的CCD靶面大于或等于配套的相机靶面,否则会造成分辨率的浪费。
• 接口类型。目前远心镜头提供的接口类型也跟普通镜头类似,有C口,F口等,只要跟相机配套即可使用。

放大倍率,或成像范围。当放大倍率和CCD靶面确定时,成像范围即确定,反之亦然。

• 工作距离。一般以上三点选定的情况下,工作距离已经确定在一个范围之内,这是其成像光路决定的。需要注意的就是此工作距离是否满足实际使用要求。当选用远心系统进行检测时,我们建议先选定镜头,依据其工作距离设计其他机械结构。
• 景深范围。在满足前面几个使用条件的前提下,景深范围越大,说明远心系统的光学特性越好,在选型时可作为参考。

案例分析：工业相机芯片尺寸为2/3’’，C接口，500w像素；视野是100*100mm，工作距离：500mm.

3.光源

环光选型：

1、了解光源安装距离，过滤掉某些角度光源；（例如要求光源安装尺寸高，就可以过滤掉大角度光源，选择用小角度光源，同样，安装高度越高，要求光源的直径越大）

2、目标面积小，且主要特性在表面中间，可选择小尺寸0角度或小角度光源；

3、目标需要表现的特征如果在边缘，可选择90度角环光，或大尺寸高角度环形光；

4、检测表面划伤，可选择90度角环光，尽量选择波长短的光源。

条光选型：

1、条光照射宽度最好大于检测的距离，否则可能会照射距离远造成亮度差，或者是距离近而幅射面积不够；

2、条光长度能够照明所需打亮的位置即可，无须太长造成安装不便，同时也增加成本,一般情况下，光源的安装高度会影响到所选用条光的长度，高度越高，光源长度要求越长，否则图像两侧亮度传经比中间暗；

3、如果照明目标是高反光物体，最好加上漫射板，如果是黑色等暗色不反光产品，也可以拆掉漫射板以提高亮度。

条形组合光选型：

1、条形组合光在选择时，不一定要按照资料上的型号来选型，因为被测的目标形状、大小各不一样，所以可以按照目标尺寸来选择不同的条形光源进行组合；

2、组合光在选择时，一定要考虑光源的安装高度，再根据四边被测特征点的长度宽度选择相对应的条形光进行组合。

背光源/平行背光源造型：

1、选择背光源时，根据物体的大小选择合适大小的背光源，以免增加成本造成浪费；

2、背光源四周由于外壳遮挡，因此其亮度会低于中间部位，因此，选择背光源时，尽量不要使目标正好位于背光源边缘；

3、背光源一般在检测轮廓时，可以尽量使用波长短的光源，波长短的光源其衍射性弱，图像边缘不容易产生重影，对比度更高；

4、背光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳的效果，并非离得越近效果越好，也非越远越好；

6、检测液位可以将背光源侧立使用；

5、圆轴类的产品，螺旋状的产品尽量使用平行背光源。

同轴光选型：

1、选择同轴光时主要看其发光面积，根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光；

2、同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5~2倍左右，因为同轴光的光路设计是让光路通过一片45度半反半透镜改变，光源靠近灯板的地方会比远离灯板的亮度高，因此，尽量选择大一点的发光面避免光线左右不均匀；

3、同轴光在安装时尽量不要离目标太高，越高要求选用的同轴光越大，才能保证才均匀性。

平行同轴光选型要领：

1、平行同轴光光路设计独特，主要适用于检测各种划痕；

2、平行同轴光与同轴光表现的特点不一样，不能替代同轴光使用；

3、平行同轴光检测划伤之类的产品，尽量不要选择波长长的光源。

其他光源选型要领：

1、了解特征点面积大小，选择合适尺寸的光源；

2、了解产品特性，选择不同类型的光源；

3、了解产品的材质，选择不同颜色的光源；

4、了解安装空间及其他可能会产生障碍的情况，选择合适的光源。