工业相机、镜头、光源讲解及选型

相机、镜头、光源

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1.CCD（电荷耦合器）和CMOS（互补氧化物半导体）：
1.1 CCD信息的读取需要以行为单位一位一位读取，再经过传感器边缘的放大器进行放大输出，所以速度较慢；
CMOS中每个像素都会连接一个放大器及模/数转换电路，读取十分简单，速度较快。
1.2 CCD制作工艺复杂，成本高，传输图像中不会丢失信息，而CMOS传输中会产生噪音，所以CCD比CMOS成像质量要高；
正是由于1.2中的原因，所以1.1中CMOS才会先放大后再整合数据。
1.3 CCD被动的让每个像素中的电荷传送到传输通道，需要消耗更多的电量。
2.线阵相机和面阵相机：
面阵相机实现的是像素矩阵拍摄；线阵相机呈线状。
3.隔行扫描和逐行扫描：
隔行扫描分两遍扫描，第一遍扫描奇数行，第二遍扫描偶数行，奇数行和偶数行合并在一起就是一帧（一副图像），
隔行扫描在很多情况下会感到闪烁；
逐行扫描从上到下一行行扫描，扫描出来的图像清晰无闪烁。
4.像素：画面中最小的点（单位色块）。
5.分辨率：长度像素乘以宽度像素。
6.工业相机的速度：
面阵相机的速度即帧频的单位是fps，如25fps表示工业相机在1秒钟内最多能采集25帧图像。
线阵相机的速度即行频的单位是KHz，如12KHz表示线阵工业相机在1秒钟内最多能采集12000行图像数据。
工业相机的帧频和行频受到所用芯片的帧频和行频的影响。
7.镜头的主要参数：
7.1 焦距（FocalLength）：镜头中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离，焦距越小，景深越大，畸变越大，渐晕现象越严重。
7.2 光圈（lris）：用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量 F=D/f，每个镜头上都标有最大的F值；
如8mm/F1.4表示最大孔径直径为5.7毫米。F值越大光圈越小，景深越深。
7.3 对应最大CCD尺寸：镜头成像直径可覆盖的最大CCD芯片尺寸，主要有1/2”、2/3”、1”和1”以上。
7.4 接口：镜头与相机的连接方式，工业相机常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、M42接口、M50接口等。
7.5 景深：被摄物体聚焦清楚后，在物体前后一定距离内，其影像仍然清晰的范围。
计算：σ容许弥散圆直径，f镜头焦距，F光圈值，L物距。
前景深 L1=FσL^2/（f2+FσL）
后景深 L2=FσL^2/（f2-FσL）
景深 L=L1+L2=2f^2*Fσ*L2/(f^4-F2σ^2*L2)
光圈越大景深越小，焦距越长景深越小，拍摄物体越近景深越小。
7.6 镜头分辨率：以每毫米里面能够分辨黑白对线的数量为计量单位：“线对/毫米（lp/mm）”。
分辨率（ε）=0.61×λ/N.A.（Reyleigh公式）
λ：使用的波长或辐射（λ=0.55µｍ用于可见光）
N.A.：物镜数值孔径
7.7 工作距离：镜头第一个工作面到被测物体的距离。
7.8 视野范围：相机实际拍到区域的尺寸。
7.9 光学放大倍数：芯片尺寸除以视野范围，CCD/FOV。
7.10 数值孔径（N.A）：与分辨率成正比，与放大率成正比，数值孔径越大，分辨率越高。
7.11 后背焦：相机接口平面到芯片的距离
8.视野、焦距的计算：
视野=（镜头到物体的距离相机的型号尺寸）/ 镜头的焦距f ；可以根据焦距是否可调分为定焦镜头和变焦镜头。
焦距=（镜头到物体的距离*相机的型号尺寸）/ 物体的高度。
9.镜头选型：
9.1：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者可以通过外加转换接口匹配安装就可；
镜头可支持最大CCD尺寸应该大于等于相机CCD芯片尺寸这样可以最大化利用相机的像元。
9.2：选择镜头焦距：根据视野的计算公式可以推出镜头的焦距，从而选择合适的焦距。
9.3：选择镜头的光圈：在拍摄高速物体，曝光时间短的应用中，应该选择大光圈镜头，提高亮度。
9.4：选择远心镜头：使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化。
9.5：选择光源的角度：不同入射角度的光源图像的效果不同，高角度照射，图像整体较亮，适合表面不反光物体；
低角度照射，图像背景为黑，特征为白，突出被测物体轮廓及表面凹凸变化；
多角度照射，图像整体效果较柔和，蛇和曲面物体检测；
背光照射，图像效果为黑白分明的被测物体轮廓，常用于尺寸测量；
同轴光照射，图像效果为明亮背景上的黑色特征，用于反光厉害的平面物体检测。
9.6：选择光源的颜色：使用与被测物体同色系的光会使图像变亮；反之会显得暗。
9.7：畸变，好的镜头畸变小，不过再好的镜头，只要相机的分辨率特别大，图像外框还是会存在一些畸变。
9.8：选择分辨率，相机的分辨率和镜头分辨率最好匹配。
10.镜头分类：
10.1：按照等效焦距分：广角镜头，特点是最小工作距离短，景深大，视角大，常常表现为桶形畸变；
中焦距镜头，通常情况下畸变矫正正好；
长焦距镜头，工作距离长，放大比大，常常表现为枕形畸变。
10.2：按照功能分：变焦距镜头，镜头的焦距库调节，镜头的视角，视野可变；
定焦距镜头，镜头的焦距不能调节，镜头视角固定。聚焦位置和光圈可以调节；
定光圈镜头，光圈不能调节，通常情况下聚焦也不能调节。
10.3：按用途分类：微距镜头，用于拍摄较小的目标具有很大的放大比；
远心镜头：包括物方远心镜头和像方远心镜头以及双边远心镜头。
11.光源作用：
11.1照亮目标，提高亮度；
11.2.形成有利于图像处理的成像效果，降低系统的复杂性和对图像处理算法的要求；
11.3.克服环境光干扰，保证图像稳定性，提高系统的精度、效率.
12.照射方式：
12.1.直射光，入射光基本上来自一个方向，明亮，射角窄，能投影出物体的阴影，会有光点。
12.2.漫射光，入射光来自多个方向，甚至所有方向，较暗，射角宽，无光点，光斑均匀，不会投影出明显阴影。
13.反射方式：
13.1.直反射，光线的反射角等于入射角，适合明亮，表面光洁的物体，大多数情况下应避免镜面反射。
13.2.漫反射，照射到物体上的光从各个方向漫散出去，适合较暗表面粗糙的物体，在大多数实际情况下，漫散光在某个角度范围内形成，并取决于入射光的角度。
14.视场：
14.1.明视场，采用正面直射光照射形成；
14.2.暗视场主要低角度或背光照明形成，一般来说暗视场会使背景呈黑暗，而被检测物体呈明亮。
15.光源分类：
15.1.颜色，主要是可见光范围，白光、红、蓝、绿，红外等光，紫外光应用较少。
15.2.外形，主要环形光源、环形低角度光源、条形光源、圆顶光源、面光源。
15.3.工作原理，无影光源、同轴光源、点光源、线光源、背光源、组合光源以及结构光源等。
16.照明方式：
16.1.直接照明，光直接射向物体，得到清楚影像，适用于得到高对比度物体图像，当照射在光亮或者反射材料上时，会引起镜面反光。
直接照明一般采用环状或者点状照明，环光可给漫反射表面提供足够的照明。
16.2.暗场照明，暗场照明是相对于物体表面提供低角度照明。
使用工业相机拍摄镜子使其在其视野内，如果在视野内能看见光源就认为使亮场照明，相反的在视野中看不到光源就是暗场照明。
因此光源是亮场照明还是暗场照明与光源的位置有关。
典型的，暗场照明应用于对表面部分有突起的部分的照明或表面纹理变化的照明。
16.3.背光照明，从物体背面射过来的均匀视场的光，通过相机可以看到物面的侧面轮廓。
背光照明常用于测量物休的尺寸和定物体的方向。背光照明产生了很强的对比度。应用背光技术时候，物体表面特征可能会丢失。
例如，可以应用背光技术测量硬币的直径，但是却无法判断硬币的正反面。
16.4.漫射照明，连续漫反射照明应用于物体表面的反射性或者表面有复杂的角度。
连续漫反射照明应用半球形的均匀照明，以减小影子及镜面反射。
这种照明方式对于完全组装的电路板照明非常有用。这种光源可以达到170立体角范围的均匀照明。
16.5.同轴照明，同轴光的形成–通过垂直墙壁出来的发散光，射到一个使光向下的分光镜上，相机从上面通过分光镜看物体。
这种类型的光源对检测高反射的物体特别有帮助，还适合受周围环境产生阴影的影响，检测面积不明显的物体。
16.6.偏振片，只允许振动方向平行于其允许方向的光能通过，垂直分量被截止。
16.7.结构光，结构光是一种投影在物体表面的有一定几何形状的光（如线形、圆形、正方形）。典型的结构光涉及激光或光纤。结构光可以用来测量相机到光源的距离。
17.光源选型：
17.1.需要前景与背景更大的对比度?–考虑用黑白相机与彩色光源
17.2.环境光的问题?–尝试用单色光源，配一个滤镜
17.3.闪光曲面?–尝试用散射圆顶光
17.4.闪光，平的，但粗糙的表面?–尝试用同轴散射光
17.5.看表面的形状?–考虑用暗视场(低角度)
17.6.检测塑料的时候–尝试用紫外或红外光
17.7.需要通过反射的表面看特征?–尝试用低角度线光源(暗视场)
17.8.组合光源有时也能解决问题
17.9.频闪能够产生比常亮照明20倍强的光