工业相机---初步认识+如何选型

1 相机的成像原理

物体反射光线，经过镜头缩小成像在感光芯片（CMOS/CCD）上

• 镜头负责缩小成像
• 光圈控制进入相机的光线强度
• 快门控制光线照射芯片的时间
• 感光芯片将光信号转换成电信号

2 感光芯片

感光芯负责捕捉光线并将其转换为电信号，最终形成数字图像。感光芯片有一个个像元组成，感光芯片上有多少个像元就代表有多少像素。

CCD和CMOS主要的区别在于信号的读出过程不同，具体区别略

3 像元尺寸

像元是组成数据图像的最小单元，像元尺寸和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。像元尺寸从某种程度上反映了芯片对光的响应能力，一般情况下，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多。通常工业相机像元尺寸为2μm~14μm

4 快门

快门可以分为卷帘快门和全局快门，分别对用卷帘曝光和全局曝光。CCD只支持全局快门，CMOS都支持。

拍摄高速运动物体时，必须选择全局曝光；对光照均匀度要求很高时，选择全局曝光；低俗运动物体、获取更高的帧率、更好的成像质量，则选择卷帘曝光。

5 曝光

光线在感光芯片上的作用强度，曝光 = 通光量 x 曝光时间 x 增益。

通光量：由镜头光圈控制，曝光时间：由快门控制，增益（ISO）：调节感光芯片的感光度

6 帧率

每秒采集图像的数量，单位为帧数每秒（FPS）或（Hz）

帧率和曝光时间有关，由于相机图像采集过程分为曝光和读取，因此可以分为两种模式：非重叠模式和重叠模式

非重叠模式：每个图形采集的周期中，相机在下一个图像采集开始前，均要完成曝光/读取整个过程。所以曝光时间越长，帧率越低。

重叠模式：允许在下一帧图像开始曝光时候，将前一帧获得的图像数据读出并传送出去。如果曝光时间>读取时间，曝光时间越长，帧率越低。曝光时间<读取时间，帧率由读取时间决定。

7 靶面尺寸

靶面尺寸是指，感光芯片的尺寸，注意是对角线长度，而不是长或宽。

 8 相机选型

 1个精度尺寸至少需要1个像元来识别，所以视野范围对应整个感光芯片，计算出视野范围包含多少个精度尺寸，就是感光芯片需要多少个像元。如果时缺陷检测任务，则通常不会用1个像素表示一个精度，而是乘上3-4倍。

分辨率 = （视野高 / 精度）x（视野宽 / 精度）x 3

例题：已知客户的视野大小为16*12mm，要求精度为0.02mm，则应该选用多大分辨率的相机

分辨率 = （16 / 0.02）x（12 / 0.02）x 3 = 800 x 600 x 3 = 1440000

所以建议选择144万像素及以上的相机

9 相机的镜头

相机镜头属于一种光学系统，光学系统是指由透镜、反射镜、棱镜和光阑（光圈）等多种光学元件按一定次序组合成的系统。

 在实际使用中，物距u远大于像距v。所以在工程实践中，焦距一般等效为像距 f = v

 靶面尺寸/物体尺寸 = v/u （注意：物体尺寸是实际物体的长和宽，不是面积）

镜头的焦距

光透过一个凸透镜，汇聚不到一个点上。这是一种光学误差，叫做球差。即越靠近中轴线的光束聚焦的越远，越靠近透镜边缘的光聚焦得越近。

所有的光线并不能很好的同时映射到靶面上，所以会影响成像质量。

• 对焦：当所有的光通过相机镜头，并聚焦到一点A时。如果点A正好聚焦在靶面（感光芯片）上，则认为该成像清晰；如果点A与靶面有距离，则会在靶面上产生一个弥散园。这时就需要移动靶面，将A点移动到靶面上，这便是对焦的过程。
• 变焦：调整几个镜片的相对位置，从而改变镜片组的焦距，进而改变图像的视场角度。焦距越长，视角越窄。

镜头的光圈

光圈位于镜头内部，通过收缩和扩大，控制入射光强度，也可以过滤入射光线角度。

光圈系数F = f / D （f 为焦距，D为通光孔径）。F值越大，通光量越小，图像越暗；F值越小，通过量越大，图像越亮。

镜头的景深和焦深

• 焦深：当物体的某个点的光线经过镜头聚焦在感光芯片上，可以清晰成像。当移动感光芯片时，会出现弥散园，在感光芯片上会被识别为光斑，如果弥散园的直径小于像元尺寸，则仍能被识别为一个像素点，即为清晰成像。感光芯片在可以清晰成像的前提下，所允许移动的距离称为焦深。
• 景深：物体在可以清晰成像的前提下，所允许移动的距离称为景深
  • 小景深：只有比较窄的距离范围内的物体才能清晰成像，距离镜头稍近和稍远的物体，都成像模糊
  • 大景深：广泛的距离范围内的物体都能清晰成像，距离镜头较近和较远的物体，也能清晰成像

光圈越小，景深越大；焦距越小，景深越大；拍摄距离越大，景深越大

镜头的分辨率

单位毫米内能够分辨开的黑白相间的条纹对数，单位线对每毫米（lp/mm），这是一种传统测量方法。现代测量方法通常使用百万像素（MP）来表示，镜头分辨率的高低直接影响最终图像的清晰度和细节表现。

镜头的反差

反差也可称为对比度，反差=（照度的最大值-照度的最小值）/（照度的最大值+照度的最小值），反差的数值总是<=1，越接近于1反差越好。

好镜头能分辨的亮度范围大，坏镜头能分辨的亮度范围小。

镜头的MTF曲线

调制传递函数（Modulation Transfer Function）曲线，是评估镜头性能的一种重要工具。它通过测量镜头在不同空间频率下传递对比度的能力，来反映镜头的分辨率、对比度和色彩还原等性能。

具体分析略，反正越接近于1，镜头越好

镜头的靶面尺寸

靶面尺寸是指，物体经过镜头，成像在感光芯片上的最大尺寸。

物体光线经过镜头后的成像最大尺寸是可以确定的，如果成像最大尺寸小于感光靶面的尺寸，这样会导致感光靶面的外围会有一些像素点没有被照射到光线，从而会浪费感光靶面的像素点。

所以在选择镜头时，镜头成像的最大尺寸应该大于相机的靶面尺寸，这样感光靶面才可以被充分利用。

镜头的接口

螺纹接口：C、CS、M12、M42、M58

• C、CS为机器视觉领域应用最广泛的镜头接口
• M12直径比较小，一般在微小工业相机上才会使用，例如无人机
• M42、M58接口直径比较大，一般用在大靶面的工业相机甚至线扫相机上

卡口：佳能EF接口、尼康F接口

• 工业相机常用尼康F接口

输出接口：千兆网（1Gbps）、USB 3.0（5.0Gbps） 、Camera Link（最高6.8Gbps）

• 千兆网：出色的稳定性，线缆长度可达100米
• USB：稳定性比网口稍差一点，但兼容性高、速度快，线缆长度5米以内
• Camera Link：可满足图像数据量大、带宽要求高，但不支持热插拔且需要配合采集卡使用

镜头实物

远心镜头

消除远大近小，远心镜头与常规镜头的区别（上图为常规，下图为远心）：

• 物方远心：在一定景深范文内，即使物距发生变化，物体成像的尺寸也不会发生变化。此类镜头在工业检测领域应用最多。
• 像方远心：即使感光芯片与镜头的距离发生变化，物体成像的尺寸也不会发生变化，但是物距会影响成像尺寸。
• 双远心：物体和像方的远近都不会影响成像尺寸，在机器视觉检测领域经常使用，缺点是成本更高。

远心镜头的特性：

• 无视场角，消除透视，放大倍率恒定
• 低畸变
• 只有平行光可成像

应用场景：

• 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
• 物体的摆放位置不确定，可能跟镜头成一定角度时
• 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
• 物体带孔径、或是三维立体物体时
• 当需要超高检测精度时，如容许误差为1um
• 当需要检测的缺陷只在同一方向平行照明下才能检测时

10 镜头选型

要点1：

镜头靶面尺寸需要>=相机CCD靶面尺寸，否侧成像会有黑边

要点2：

镜头接口要和相机接口匹配

要点3：

计算焦距

焦距 = （物距 x CCD尺寸）/ 物体大小

例题：已知客户观察范围为50mm x 50mm，工作距离为150mm，CCD尺寸为1/1.8'，请问使用什么焦距的镜头？

解：客户的CCD靶面尺寸为1/1.8'，查表可得尺寸为7.2 x 5.4mm。焦距 = 150 x 5.4 / 50 = 16.2mm，则选择焦距在16mm左右的镜头

焦距 = L x M / (M+1)，M = 像宽 / 物宽 = v / u，工作距离L≈物距u

例题：已知客户要求的系统分辨率为0.06mm，像元大小为4.7um，工作距离大于150nm，请问使用寿命焦距的镜头？

解：客户没有调焦需求，则选用定焦镜头。客户要求0.06mm，对精度有要求，尽量选用低畸变的镜头、甚至远心镜头。线放大倍数M = 像元大小 / 系统分辨率 = 4.7um / 0.06mm = 0.078，焦距 = 150mm x 0.078 / （0.078 + 1）= 10.85，则选择焦距在10mm左右的镜头

11 致谢

 本篇知识内容来源于b站up主@优致谱机器视觉制作的优致视频：《机器视觉开荒计划》，图片素材来源于网络。