机器视觉相机镜头选型与应用

典型案例
齿轮项目
•该项目的基本要求是：检测齿轮滚轴的安装质量（缺失）和滚轴的直径 公差200微米。在线检测速度为2个/秒。 •相机的选择： 客户需求200um，根据精度 = FOV / Resolution，测量齿轮实际大小 为48mm，加上边缘宽度，以60mm作为FOV(H)，以此数据算的相机 Resolution=FOV(H)/精度=60/0.2=300, 故选择640*480分辨率,曝光时间至少 1/2 S的工业相机。 •镜头的选择 由于这个项目上对检测环境没有特殊要求，人为设定WD=200mm，CCD Size根据相机参数1/4”(对角线长度),乘16转换为4mm，再根据4:3的比例 ，勾股定理算出水平的直角边为3.2mm。根据Focus level/WD=CCD Size / FOV f=CCD Size*WD/FOV=3.2*200/60=10.6mm，故选择12mm定焦可满足需求。
定焦、定倍、远心、连续变倍
百万像素定焦 百万像素定焦 百万像素定焦 百万像素定焦 百万像素定焦 定焦、定倍、远心、连续变倍 百万像素定焦
常用镜头图片
定 焦 镜 头 定倍远心镜头 Navitar zoom6000 连 续 变 倍 镜 头
Navitar zoom6000 连续变倍镜头组件
工业镜头的选择要点
对镜头的选择，我们首先必须先确定客户需求：
• 1、视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择 镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头， 以有利于运动控制。 • 2、景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小 的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可 能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选 择高景深的尖端镜头。 • 3、芯片大小和相机接口 ：例如2/3”镜头支持最大的工业 相机耙面为2/3”,它是不能支持1英寸以上的工业相机。 • 4、注意与光源的配合，选配合适的镜头 。 • 5、可安装空间：在方案可选择情况下，让客户更改设备 尺寸是不现实的。
工业镜头的基本参数
光学放大倍数 用于计算主要缩放比例的公式如下：
PMAG = CCD Size / FOV
图 2: 主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图
工业镜头的主要类别：常用摄像镜头
常用摄像镜头参数
•主要参数有焦距f 光圈数F和视场2ω . 经验公式：1/F *tanω √f=C
F型接口类型摄像镜头焦距表（mm）
工业相机的基本参数
3. 帧速率(Frame Rate):相机采集传输图像的速率，对于面阵相机机一般为 每秒采集的帧数(Frames/Sec.)，对于线阵相机机为每秒采集的行数(Hz)。 4. 曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter):对于线阵相机都是逐行曝光的 方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行 周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵工业相机有帧曝光、场曝 光和滚动行曝光等几种常见方式，数字工业相机机一般都提供外触发采 图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速工业相机还可以更快。 5.传感器尺寸(Sensor Size) 如1/2” 1/3” 2/3”等。传感器尺寸越大,理论上 可以聚集更多的感光单元,可以获得更高的相素。在相素不变的情况下,相 机传感器尺寸越大,噪点控制能力越强,因为单个感光元件之间的间距越大 ,相互之间的信号干扰越小.
工业相机的基本参数
1. 分辨率(Resolution):相机每次采集图像的像素点数(Pixels)，对于数字工业相机机一般是 直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机机则是取决于视频制式，PAL制为 768*576，NTSC制为640*480。 2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字工业相机机 一般还会有10Bit、12Bit等。
类型 焦距 鱼眼型 7.5,15 超广角型 17,20 广角型 24,28,35 标准型 50
C,CS型接口类型摄像镜头焦距表(mm) 类型 1/3″ 1/3 ″,1/2 ″ 2/3 ″,1 ″
焦距
2.8-3.5
3.5-6
8-75
工业镜头的主要类别：近摄镜头
近摄镜头
•近摄透镜 在摄像镜头前端拧上一个近摄透镜，可以摄取到更近 距离目标的像。采用近摄镜后，目标像的畸变增大了，为 此，近摄透镜的屈光率不能太大，使原工作距离的缩短量 一般不超过20％。
智能相机
I-Cite支持的工业相机品牌
品牌
MV1000 PX610 PXR800 IMPERXVCE MicroPix DirectShow OpteonDirect
品牌
Pci1424 DM4X1 DFGBW1 Epix Pixci SI Domino Mini Matrox Meteor II Domino Alpha 2 Async
工业镜头的基本参数
• 焦距（f）焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从 透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，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；
工业镜头的基本参数
常用的工业相机品牌
品牌
THE IMAGING SOURCE
产地
美国
相机类型
线阵相机、面阵相机
IDS uEye
Microscan JAI Dalsa
美国
美国 丹麦 加拿大
线阵相机、面阵相机、智能相机
面阵相机、智能相机 线阵相机、面阵相机、摄像机 线阵相机、面阵相机
Teli
COGNEX
日本
美国
线阵相机、面阵相机
工业镜头的基本参数
光圈大小的影响情况： 光圈越大，图像亮度越高； 景深越小；分辨率越高； 像场中央与边缘： 一般像场中心较边缘分辨率高； 像场中心较边缘光场照度高
光波长度的影响： 在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波 长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位 置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源， 对提高系统精度有很大的作用。
C型口与CS型口区别
接圈
工业镜头的基本参数
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体部分。（视场范围 是选型中必须要了解的） 工作距离(Working Distance,即WD):指 从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰 成像的表面距离（选型必须要了解的问题 ，工作距离是否可调？包括是否有安装空 间等） 分辨率：图像系统可以测到的受检验物体 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 (Depth of view，即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 （需要了解客户对景深是否有特殊要求？ ）
远心镜头
•物方远心镜头 •物方远心镜头采用平行光路设计，将孔径光阑放置在光学系 统的像方焦平面上。
可以消除透视畸变,常用于工业精密测量，畸变极小。
工业镜头的主要类别：远心镜头 远心镜头
•像方远心镜头 •像方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的物 方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴。 •可以获得更好的像面照度的均匀性,图像不会出现 阴影，常用于医学图像处理。
工业镜头的主要类别：远摄镜头
远摄镜头镜
•与近摄镜头相反，为了对远距离目标摄取到清晰图像， 要采用远摄镜头。这种镜头是一长焦距镜头。远摄镜 头可以是折射系统、反射系统或折反射系统。反射式 远摄镜头常采用卡塞格林式远摄镜头.折反式远摄镜头 由于采用前部校正透镜，其成像质量更加良好.
工业镜头的主要类别：远心镜头
品牌ห้องสมุดไป่ตู้
uEye Direct Picolo Dalsa X64-CL Express SenTech Direct Leutron Direct JAI Direct Dalsa Genie
工业镜头
• 工业镜头的接口
– C型： C型接口镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的 位置）的距离为17.5mm – CS型： CS型接口此距离为12.5mm. CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用。C型镜 头与CS型摄像机之间增加一个 5mm的C/CS转接环可以配合使用。CS型镜头与C型摄 像机无法配合使用。 – F型：通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头
常用的工业镜头品牌
品牌
施耐德Schneider 卡尔蔡司Zeiss μ Tron
产地
德国 德国 日本
镜头类型
定焦、远心 定焦、远心 定焦、定倍、远心、连续变倍
Moritex
SPACECOM COMPUTAR 宾得PENTAX 腾龙TAMRON 精工 VST KOWA
日本
日本 日本 日本 日本 日本 日本 日本
3.像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机机靶面的大小。目前数 字工业相机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越 不容易提高。
Field Of View Pixel Size = —————————— Camera Resolution
机器视觉 相机、镜头介绍 An Introduction of Machine Vision Camera and Lens
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Topic 内容
• 机器视觉相机、镜头基础知识 • 典型案例
典型案例
• 齿轮项目
综上所述选择640*480分辨率、曝光时间为1/10000 S到30 S的工业相机， 12mm定焦CCTV镜头。
Any Questions?
谢谢大家
工业相机
• 相机常见分类 – 按照芯片类型可以分为CCD相机、CMOS相机； – 按照传感器的结构特性可以分为线阵相机、面阵相机； – 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；
失真（distortion）：（衡量镜头性能的指标之一） 又称畸变，指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。
光圈与F值
光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达 光圈大小我们是用F值，如f1.4，f2，f4。