工业机器视觉基础—工业相机镜头篇

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件, 工业相机一般安装在机器流水线上代替人眼来做测量和判断，选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，而选择哪种或者什么型号的相机，也主要是判断相机镜头的适配。

首先，相机怎么选。

1、相机分辨率：根据对图像精度的要求来选择相机的分辨率

2.、案例分析

2.1、已知条件待检测物体大小30mm*20mm检测精度0.01mm视野范围35mm*25mm2.2.、计算相机最小分辨率=（30/0.01）*（20/0.01=3000*2000=6000000=600 万像素；相机分辨率至少为600万像素；为减少边缘提取时像素偏移带来的误差，提高系统的精确度和稳定性，实际使用中一般用2-3个像素对应一个最小缺陷特征，则相机分辨率为600*3=1800万；最终选用2000万像素相机（5472*3648）

其次，镜头怎么选。

1、镜头像面：为保证画面整体的可用性，选用镜头的像面尺寸应大于相机芯片的对角线（以下简称靶面），否则会出现边缘暗角/黑角等情况，影响使用；

2、镜头焦距

根据被摄物体的大小我们可以得到视野的大致范围，这里我们用光学放大倍率来表示；

公式：光学放大倍率=CCD相机元素尺寸/视野实际尺寸=CCD（V）或（H）尺寸/视场（V）或（H）尺寸=焦距/物距

3、案例分析

3.1、已知条件

视野范围：35mm*25mm
镜头前端距离被测物体的距离：100mm
选用相机：2000万像素（分辨率5472*3648，像元尺寸2.4 µm×2.4 µm）

3.2、计算

（1）CCD长宽尺寸：
CCD长度=5472*2.4/1000=13.1328mm
CCD宽度=3648*2.4/1000=8.7552mm
（2）计算光学放大倍率：
光学放大倍率=CCD（V）/视场（V）=13.1328/35=0.375倍
（3）计算焦距：
焦距=物距*光学放大倍数=100*0.375=37.5mm
常用的焦距有：8、12、16、25、35、50、75等，所以选择35mm焦距
（4）计算实际光学放大倍数、视野长度、视野高度：
实际光学放大倍数=焦距/物距=35/100=0.35倍
实际视野长度=CCD长度/实际光学放大倍数=13.1328/0.35=37.5mm
实际视野宽度=CCD宽度/实际光学放大倍数=8.7552/0.35=25.01mm
（5）计算单像素精度
单像素精度=视野长度/CCD长方向有效像素个数=35.7/5472=0.0065mm
最终确定选型：35mm焦距镜头、搭配2000万像素相机，物距100mm情况下可以达到37.5mm×25.01mm的视野，单像素精度0.0065mm。

第三，相机镜头常用资源查询

1、工业相机术语

1.1、芯片尺寸

芯片尺寸与分辨率是对应的，如500w像素相机2.2um像元为1/2.5，3.45um像元为2/3，4.8um像元为1英寸
芯片尺寸=像元尺寸*分辨率

1.2、精度

单位像素所代表的实际视野，数值越小精度越高

精度=视野/分辨率

1.3、拖影

一次曝光里，物体移动超过一个像素，图像上就会产生拖影，因此可以计算出产生拖影的临界曝光时间。

曝光时间<=精度/运动速度

需要拍摄的理论精度0.1mm/pix，运动速度为0.1m/s的物体，最大曝光时间为

0.1/100=0.001s=1ms=1000us

1.4、相机的选型

1.4.1、分辨率
客户提供需要的精度与视野大小32mm*24mm，精度要求0.01mm
分辨率（L/W）=视野（L/W）➗精度
需要的相机分辨率为640*480=307200=30w像素的相机
1.4.2、颜色
通常视觉中我们选择黑白相机，只有需要彩色图像时才会考虑彩色相机，因为机器视觉中黑白图像算法比较多，黑白相机使用光源成像质量比彩色相机复合白光质量要好
1.4.3、传感器类型
拍摄目标静态，为了节约成本优先考虑cmos相机，运动拍摄（飞拍）则优先考虑CCD相机。
1.4.4、传感器尺寸
在分辨率足够的情况下，优先使用尺寸大的像元，但同时需要考虑靶面大小，通常靶面越大，相机和镜头的价格越高。
1.4.5、相机镜头接口
一般相机都是C/CS接口，需要考虑与镜头的对接。如果有其他接口的镜头，需要考虑相机的接口。
1.4.6、相机输出接口
同等价位像素条件下优先选择实际输出速度快的接口类型。
CameraLink>USB3.0>GigE>1394>USB2.0

2、工业镜头术语

2.1、焦距

镜头焦距是光学系统中横梁光的聚集或发散的度量方式，指从透镜中心到光聚集之焦点的距离。

镜头焦距的大小决定着视场角的大小，拍摄的工作距离，成像视野大小和景深大小。

常用的焦距有8、12、16、25、35、50等

2.2、光圈

一个用来控制光线透过镜头，进入相机感光面的装置。相对孔径一般刻在镜头上，如1:2.8和1:4等

2.3、分辨率

分辨率是代表镜头记录物体细节的能力，常以每毫米里面能分别黑白线对数量为计量单位：线对/毫米（lp/mm）

2.4、放大倍数

放大倍数定义为图像的大小与物体大小之比，在一个视场，成像大小铺满整个芯片，即：放大倍数=芯片尺寸/视野=像元尺寸/精度

2.5、最小工作距离

镜头能够对焦清晰的最小工作距离。

2.6、景深

在对焦清晰的平面前后，存在一段仍然能够清晰成像的距离，成为景深。

通俗来讲再聚焦完成后，在焦点前后范围内都能够形成清晰的图像，这前后的距离范围叫景深。

2.7、畸变

镜头在成像时，特别是用焦距短的镜头拍摄大视场，图像会产生变形，这种情况叫做镜头的畸变。拍摄场景越大，所用镜头焦距越短，畸变程度越明显。

2.8、焦距计算

镜头焦距：焦距f=WD*（芯片尺寸长边/FOV长边）

注意：当视野长宽比<芯片的长宽比时，需要用短边计算

2.9、远心镜头

放大倍率=芯片尺寸长边/FOV长边

注意：当视野长宽比<芯片的长宽比时，需要用短边计算

3、镜头参数间相互影响关系

3.1、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，使像差边缘照度降低。

3.2、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广场找亮度高。

3.3、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；

光圈越大，渐晕现场越严重，光场照度越不均匀。

3.4、光源波长的影响

在相同相机镜头参数条件下，光源波长越短，得到的图像分辨能力越高。所用需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波的单色光作为照明光源，可以提高系统精度。

第四，工业相机的选择要点

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，有利于运动控制。

2、景深要求：

对于景深有要求的项目，尽可能使用小光圈；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靶面为2/3，它是不能支持1英寸以上的工业相机。

4、与光源的配合：

选配合适镜头。