镜头与相机的选择

• 视场（FOV‐field of view）
• 视场角

视场（FOV‐field of view）

视场角

在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测
目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成
的夹角，称为视场角。

水平视场角=2 * arctan(w/2f)
垂直视场角=2 * arctan(h/2f)
视场角=2 * arctan(d/2f)
w为CCD宽，h为CCD高，d为CCD对角线长

光学倍率

光学倍率是指成像大小与物体尺寸的比值

景深

景深指被摄主体前后也能够清晰成像的距离范围。

理解景深，需要明确以下几个概念：焦点、弥散圆

焦点

与光轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后，再以锥状的扩散开来，这个聚集所有光线的一点，就叫做焦点。

弥散圆

在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。

弥散圆与景深

在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。换言之，被摄体的前后纵深，呈现在底片面的影象模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内。

控制景深的三要素

• 光圈
  光圈越大，景深越小；
  光圈越小，景深越大
  
• 焦距
  焦距越长，景深越小
• 拍摄距离
  距离越远，景深越深；距离越近，景深越浅。

曝光量和光圈数

曝光量（exposure），依赖于到达像面上的光强（图像辐照度image irradiance）与曝光持续时间（快门速度shutter speed）的乘积
E=I∗tE=I *tE=I∗t
光圈数，或称F数。在镜头中，有一个大小可调的光阑，一般称为光圈。通过调节光圈的大小，可以控制进入镜头中的光能量。到达CCD的光强，不仅与镜头的通光面积成正比（即正比于光圈直径D的平方），而且还与像面的面积成反比，像面面积越小，光能量越集中，像面接收到的光强越大。
F=f/DF=f/DF=f/D

镜头分辨率

镜头的分辩率是指在成像平面上1毫米间距内能分辨开的黑白相间的线条对数，单位是“线对/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）镜头对黑白等宽的测试线对图并不是无限可分辨的。当黑白等宽的测试线对密度不高的时候，成像平面处黑白线条是很清晰的。当黑白等宽的测试线对密度提高时，在成像平面处还是可以分辨出黑白线条，但是白线已不是那么白了，黑线也不是那么黑了，白线黑线的对比度就会下降。当黑白等宽的测试线对密度提高到某一程度，在成像平面处黑白线的对比度非常小，黑白线条都变成了灰的中间色了，这就到了镜头分辨的极限。

镜头分辨率

• 例1：以130万像素为例，假设CCD芯片选择1/3”，则CCD芯片尺寸为4.8mm×3.6mm图像大小为1280X1024，所以：
  每个像素的大小为4.8mm/1280=3.75um.
  镜头分辨率为1mm/(3.75um*2)=133.33线对/mm

• 例2：镜头分辨率计算
  2百万像素摄像机，像素数为1600x1200=192万，感光面尺寸 1/2吋。水平6.4mm、垂直4.8mm，水平像素密度是1600/6.4=250 pixel/mm，垂直像素密度是1200/4.8=250 pixel/mm，感光像元尺寸是4um×4um。水平像素密度和垂直像素密度一样，像素是正方形的，如果像素不是正方形的镜头分辨率应参考像素密度高的。在这里水平像素密度和垂直像素密度都是250 pixel/mm，所以镜头分辨率应选125 lp/mm。

• 例3：镜头分辨率计算
  如果一个2百万像素摄像机感光面尺寸是 1/3吋，1/3吋的感光面它水平尺寸是4.8mm，垂直尺寸是3.6mm，它的水平像素密度是1600/4.8=333.3 pixel/mm，垂直像素密度是1200/3.6=333.3 pixel/mm，所以镜头分辨率应选167 lp/mm 。
  镜头与相机的连接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等

镜头的选择

1.选择镜头接口和最大CCD尺寸
镜头接口只要可跟相机接口匹配安装或可通过外加转换口匹配安装就可以了；镜头可支持的最大CCD尺寸应大于等于选配相机CCD芯片尺寸。
2.选择镜头焦距。
在已知相机CCD尺寸、工作距离（WD）和视野（FOV）的情况下，可以计算出所需镜头的焦距。
3.选择镜头光圈
镜头的光圈大小决定图像的亮度，在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中，应该选用大光圈镜头，以提高图像亮度
4.选择远心镜头
远心镜头是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化。

工业镜头的选择注意要点：

对镜头的选择，首先必须先确定需求：
• 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，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。

工业相机与民用相机的差异

• 工业相机稳定可靠，易于安装，相机结构紧凑结实，连续工作时间长，可在较恶劣的环境下使用。一般民用数码相机无法连续长时间工作，无法快速连拍，没有安装孔位。
• 工业相机的快门时间一般可以从1/100000秒~10秒范围内调整，配合视觉光源及频闪控制器，可以将快门时间设置在微妙级。工业相机帧率远高于民用相机。
• 工业相机输出的是裸数据，其光谱范围也比较宽。
• 工业相机的内部通常不带存储，数据直接输出到外部处理机构中。
• 工业相机以满足现场应用为目的，高速拍摄、高速传输、无损图片。并不强调将目标拍出来的图像处理得好看而满足人们的视觉享受。而民用相机更多的强调视觉效果，因此会有很多图像后处理。

数字工业相机参数

• 分辨率：相机每次采集图像的像素点数（Pixels），对于工业数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应。
• 像素深度：即每个像素数据的位数，一般常用是8bit。
• 最大帧率：相机采集传输图像的速率，对于面阵相机，一般为每秒采集的帧数，对于线阵相机为每秒采集的行数。
• 像元尺寸：目前工业数字相机像元尺寸一般为3-10um，一般像元尺寸越小，制造难度越大。
• 光谱响应特性：指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350-1000nm，一些相机在靶面前加一个滤镜，滤除红外光线。
• 低照度：又称灵敏度，是衡量相机对光线敏感程度的指 标。通常情况下是相机获得30%最大输出值时所需的照 度，单位是Lux。

工业相机的分类

• 按照图像传感器区分
  CCD相机：以CCD为感光芯片
  CMOS相机：以CMOS为感光芯片
• 按照输出图像颜色区分
  单色相机：图像为单色
  彩色相机：图像为彩色
• 传感器的结构特性区分
  线阵相机
  面阵相机

面阵CCD相机（Charge Coupled Device）

相机像素是指这个相机总共有多少个感光晶片，通常用万个为单位表示，以矩阵排列，例如3百万像素、2百万像素、百万像素、40万像素。百万像素工业相机的像素矩阵为WH=10001000。

面阵CCD应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。
优点：可以获取二维图像信息，测量图像直观。
缺点：像元总数多，每行像元数较少，帧幅率受到限制。
工业相机分辨率，指一个像素表示实际物体的大小，um*um表示。数值越小，分辨率越高
由于生产技术的制约，单个面阵CCD的面积很难达到一般工业测量对视场的需求。

线阵CCD相机（Charge Coupled Device）

线阵工业相机：顾名思义是呈“线”状的。虽然也是二维图象，但极长，几K的长度，而宽度却只有几个象素的而已。一般上只在两种情况下使用这种相机：
一、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。
二、需要极大的视野或极高的精度。

在需要极大的视野或极高的精度的情况下，需要用激发装置多次激发相机，进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图象，合并成一张巨大的图。因此，用线阵型工业相机，必须用可以支持线阵型工业相机的采集卡。线阵型工业相机价格贵，而且在大的视野或高的精度检测情况下，其检测速度也慢－－一般工业相机的图象是400K～1M，而合并后的图象有几个M这么大，速度自然就慢了。

CCD相机（Charge Coupled Device）

• 比较线阵和面阵相机
  由于生产技术的制约，单个面阵CCD的面积很难达到一般工业测量对视场的需求。线阵CCD的优点是分辨力高，价格低廉，可满足大多数测量视场的要求，但要用线阵CCD获取二维图像，必须配以扫描运动，而且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位置，还必须配以光栅等器件以记录线阵CCD每一扫描行的坐标。一般看来，这两方面的要求导致用线阵CCD获取图像有以下不足：图像获取时间长，测量效率低；由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在，增加了系统复杂性和成本；图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低，最终影响测量精度。

CMOS相机（Complementary Metal Oxide Semiconductor）

互补性氧化金属半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术是利用硅做成的半导体，使其在CMOS上共存着N和P的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像缺点：较容易出现杂点。这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。

CMOS与CCD的区别——成像

CCD与CMOS信号的读出过程不同。CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，信号输出的一致性非常好；
CMOS芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷‐电压转换，其信号输出一致性较差。但CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS 芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS相对CCD的固有劣势。

CMOS与CCD的区别——集成性

从制造工艺的角度看，CCD中电路和器件是集成在半导体单晶材料上，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。而CMOS是集成在被称作金属氧化物的半导体材料上，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此生产CMOS的成本相对CCD低很多。
同时CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片，包括：Micron、CMOSIS、Cypress等。

CMOS与CCD的区别——速度

CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷—电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，大部分500fps以上的高速相机都是CMOS相机。
此外CMOS 的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。

CMOS与CCD的区别——噪声

CCD技术发展较早，比较成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

相机芯片尺寸说明

1英寸=25.4mm不是工业相机的标准，工业上1英吋 CCD尺寸= 长12.8mm × 宽 9.6mm = 对角线为 16mm 之对应面积。业界通用规范： 1英吋 CCD尺寸= 长 12.8mm × 宽 9.6mm = 对角线为16mm 之对应面积。 由“勾股定理”,该三角形三边比例为 4：3：5；只要给定该三角形最长一边长度，就可以换算回来。而且面积对角线长度就是16除以那个分母。
所以CCD Size 如下计算:
（1）1/2“ CCD的对角线就是 1”的一半为8mm，面积约为 1/4“；注：面积计算为(8/16）^2)
（2）1/4” CCD的对角线就是 1“的1/4，即为 4mm，面积约为1/16”。注：面积计算为((4/16）^2)

• 具体相机芯片尺寸
  1/4 inch：(3.2mm×2.4mm)；长：16/44/5=3.2，宽：16/43/5=2.4（注：16/4为芯片对角线长度）
  1/3 inch：(4.8mm×3.6mm)；长：16/34/5,宽：16/33/5 (注：16/3为对角线长度，向上取整等于6)
  2/3 inch：(8.8×6.6mm)；长：16/324/5,宽：16/323/5 (注：16/32为对角线长度，向上取整等于11)
  1 inch：(12.8mm×9.6mm)。长：16/14/5,宽16/1*3/5 (注：16/1为对角线长度，等于16)

相机芯片选择实例

• 例1：检测产品大小是18mm10mm，精度要求是0.01mm，流水线作业，检测速度是10件/秒，现场环境是普通工业环境，不考虑干扰。(精度指一个像素的大小)视野大小可以设定为20mm12mm,流水线作业,速度比较快,因此选用逐行扫描相机.假如能够取到很好的图像(比如可以打背光),而且软件的测量精度可以考虑1/2亚像素精度，那么需要的相机分辨率就是20/0.01/2=1000pixcel，另一方向是12/0.01/2=600pixcel，所以相机的分辨率至少需要1000600pixcel，帧率在10帧/秒，因此选择1024768像素（软件性能和机械精度不能精确的情况下也可以考虑1280*1024pixcel），帧率在10帧/秒以上的即可。
• 例2：
  假设视野为10mm，精度要求为0.02mm,那么相机的像素=10÷0.02=500像素，那就只需要30万（640480）像素的相机就可以了假设精度要求D=0.01，那么图像的分辨率应该是F=FOV/D=1000(像素)，如果以1个像素对应0.01毫米，那么我们需要至少分辨率为1000的相机。根据市面上各种像素相机的分辨率参数，再考虑最小的成本，那么选择130W（12801024）像素的相机比较合适，又因为工件只要求测量尺寸，不需要颜色识别，选择黑白相机即可（便宜、图片小、传输快、对比度更高）。
• 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640480分辨率,曝光间至少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 SizeWD/FOV=3.2*200/60=10.6mm，故选择12mm定焦可满足需求。

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定焦镜头。通过机器视觉系统测量工件螺纹部分的精准宽度W，精度要求D=0.01
  （1）先用钢尺粗略量下W的范围来确定选择相机的芯片分辨
  率通过测量，该工件初步测量的宽度W=6毫米左右，那么视场大小可以定为FOV=10毫米比较合适。视场，就是相机拍摄到的范围，一般以物理尺寸表示。视场FOV、精度D、分辨率F的计算公式是：分辨率F=FOV/D
  （2）确定镜头，镜头的选择主要考虑检测环境。比如说该工件在流水线检测过程中的工位高度大约是：100mm<H<150mm，那么根据相机的芯片尺寸X就可以得到镜头的焦距f。
  （2）确定镜头（续）
  这个实验可以选择工作距离固定的远心镜头，工作视场FOV大约是相机芯片水平方向尺寸的2倍，所以我们选择放大倍率为0.5倍（放大倍率M=X/FOV）、工作距离H=110毫米的远心镜头。那么这个实验的视场FOV长度是4.8/0.5=9.6（毫米）（注：4.8是芯片尺寸，远心镜头放大0.5倍，则芯片的视场为9.6，要求的视场为10，接近，可以选用）
  （3）确定光源
  决定光源本身质量的因素主要有3个：灯珠、光路设计和工艺。
  机器视觉光源由于特殊的应用环境，对灯珠的要求要远远高于民用的LED灯，一般会采用国外的大品牌灯珠：CREE/OSRAM/日亚，也有部分业内光源企业使用国产灯珠，那就在效果上会有些折扣，但是价格会更有优势。
  就本次实验的工件，需要检测该工件的螺纹部分宽度，我们会选择一款平行背光源，平行的白光从工件底部打光，可以让工件的轮廓非常清晰的呈现出来。

本章小结

• 镜头的参数：视场、光学倍率、景深、焦点、焦距、曝光量、光圈数、镜头分辨率。
• 相机的参数：分辨率、像素深度、最大帧率、像元尺寸、光谱响应特性。