工业相机基本知识与选型

1、相机选择
1.1、计算相机分辨率
根据系统对图像精度的要求来选择相机的分辨率。
1.2、案列
1.2.1 已知条件
待检测物体大小:10mm×7mm;
检测精度:0.01mm;
视野范围:12mm x 9mm;
1.2.2 计算
相机最小分辨率=(12/0.01)(9/0.01)=1200900≈108万像素;相机分辨率至少选择为108万像素;可以选用130万像素相机(1280960);
为减小边缘提取时的像素偏移带来的误差,提高系统的精准度和稳定性,实际使用中一般用2-3个像素对应一个最小缺陷或特征;
则相机分辨率=108
3≈324万;最终选型320万像素相机(20481536)。
2、镜头选择
2.1、镜头像面
为保证画面整体的可应用性,选用镜头的像面尺寸应大于相机芯片的对角线尺寸(靶面),否则会出现边缘暗角/黑角等情况,影响使用。
2.2、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,进而得到物像关系,这里我们用光学放大倍率来表示。
光学放大倍率计算公式:
光学放大倍率=CCD相机元素尺寸/视场实际尺寸
=CCD(V)或(H)尺寸/视场(V)或(H)尺寸
=焦距/物距

2.3、案列
2.3.1 已知条件
视野范围:12mm9mm;
镜头前端距离被测物体距离:60mm;
选用相机:320万像素相机(分辨率2048
1536,像元尺寸3.45um)
2.3.2 计算
① CCD长宽尺寸:
CCD长度=20483.45/1000=7.0656mm
CCD高度=1536
3.45/1000=5.2992mm
② 计算光学放大倍率:
光学放大倍率=CCD(V)/视场(V)=7.0656/12=0.59 倍
③ 计算焦距:
焦距=物距×光学放大倍率=60×0.59=35.4mm
常用焦距有:8.12.16.25.35.50.75等.
④ 计算实际光学放大倍率、视野长度、视野高度:
实际光学放大倍率 =焦距/物距 =35/60=0.58 倍
实际视野长度 = CCD长度/实际光学放大倍率=7.06/0.58=12.17mm
实际视野宽度 = CCD高度/实际光学放大倍率=5.30/0.58=9.13mm
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=12.17/2048=0.0059mm
3.总结
使用35mm镜头,搭配320万相机,可以达到12.17mm×9.13mm的视野,单像素精度5.9微米。
4.相机镜头常用资源查询
4.1工业相机术语
4.1.1 芯片尺寸
工业相机参数列表中一般将传感器尺寸参数描述为靶面尺寸:1/n",这里指的是传感器(工作区域为矩形)对角线长度为1/n英寸,但这里英寸和mm的换算关系并不是1英寸=25.4mm,而是=16mm。下面列举了一些常用的靶面尺寸:
1.1英寸——靶面尺寸为宽12mm高12mm,对角线17mm;
1英寸 ——靶面尺寸为宽12.7mm
高9.6mm,对角线16mm;
2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm高6.6mm,对角线11mm;
1/1.8英寸——靶面尺寸为宽7.2mm
高5.4mm,对角线9mm;
1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm高4.8mm,对角线8mm;
1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm
高3.6mm,对角线6mm;
1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm高2.4mm,对角线4mm;
实际尺寸可以查看相机对应的说明书。
通常芯片尺寸与分辨率是对应的,如500W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X分辨率
4.1.2 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
1200万像素相机(4000
3000piⅸ)拍摄视野为8060mm的图片,那
么理论精度为80÷4000=0.02 mm/pix。
4.1.3拖影
一次曝光时间里,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
需要拍摄理论精度0.1mm/pix,运动速度0.1米/秒的物体,最大曝光
时间为0.1mm÷100mm/s=0.001s=1ms=1000μs
4.2相机的选型
1.分辨率:
客户提供其需要的精度与视野大小,那么求取分辨率关系如下:
分辨率(LW)=视野(LW)÷精度。假设视野32
24mm精度要求0.05mm
那么相机的像素长度=32÷0.05=640pix,相当于需要640480=307200=30W像素的相机,此计算为理论精度,并不代表系统精度。
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,
这是因为机器视觉中黑白图像的算法比较多,黑白相机使用光源成像质量要比彩色相机使用复合白光质量要好。
3.传感器类型:
拍摄日标静态,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。
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。
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。
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。
如CameraLink>USB3.0>GigE>1394>USB2.0。
4.3工业镜头术语
焦距:
镜头焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式,指镜头的光学中心(光学后主点)到成像面焦点的距离。平行光通过镜头后汇聚于一点,这个点就是所说的焦点。
在镜头参数中可能会看到后焦距的描述。在光学系统中,最后一个光学镜片表面的顶点到像面的距离称为后焦距(BFL:Back Focal Length),对于不同的光学系统,其后焦距都是不一样的。因此在安装镜头时,需要调节镜头到相机的相对位置,使相机底片到镜头最后一面顶点的距离满足后焦距的要求,即使底片位于镜头的像平面上。
镜头焦距的大小决定着视场角的大小,拍摄得工作距离,成像视野大小和景深大小。常用的焦距有8.12.16.25.35.50等
法兰后焦距、机械后焦距与光学后焦距的区别在于;法兰后焦距,是指机身上镜头卡口平面与机身曝光窗平面之间的距离,即镜头卡口到感光元件之间的距离如下图数值17.526mm;机械后焦距,指镜头桶上边沿到sensor感光面的距离如下图数值10.9mm;光学后焦距,指光线离开镜头最后一片镜片表面到sensor感光面的距离如下图数值14.9mm;一般光学后焦大于机械后焦距。
工作距离:
指的是镜头第一个面到所需成像物体的距离。它与视场大小成正比,有些系统工作空间很小因而需要镜头有小的工作距离,但有的系统在镜头前可能需要安装光源或其它工作装置因而必须有较大的工作距离保证空间。
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。
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(Ip/mm)。
放大倍率
放大倍率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:放大倍率=芯片尺寸÷视野=像元尺寸÷精度。
镜头放大倍率一般是指光学放大倍率,是指像和物的大小之比,计算方法如下:
光学放大倍率=感光芯片长边/视野长边。
可见,光学放大倍率和所选相机芯片及所需视场相关。
如:已知相机芯片为2/3英寸(8.8mm
6.6mm),
视场长宽为:10mm× 8mm。
如用长边计算,放大倍率=8.8mm/10mm=0.88x;
如用短边计算,放大倍率=6.6mm/8mm=0.825x;
此时应取小的倍率0.825x 作为待选镜头的光学放大倍率。否则,短边视场将不能满足要求。(若取0.88倍,则短边视场=6.6mm/0.88x=7.5mm<8mm)。
视场角一般以(D× H× V )来表示,假设视场为矩形,H是指水平方向即矩形长与镜头中心点所成三角形的顶角的角度,V是指竖直方向矩形宽与镜头中心点所成三角形的顶角的角度,D是指对角线与镜头中心点成三角形的顶角的角度。
最小工作距离
镜头能够对焦清晰的最小工作距离。
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,称谓景深。通俗讲再聚焦完成后,在焦点前后范围内都能能够形成清晰的图像,这一前一后的距离范围叫景深。
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,所用镜头焦距约短,畸变程度越明显。
焦距计算:
CCTV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。
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。
4.3镜头参数间相互影响关系
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。
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光场照度高。
3.光圈大小的影响情况
光圈越大,图像亮度越高;
光圈越大,景深约小;
光圈越大,分辨率越高;
光圈越大,渐晕现象越严重,光场照度越不均匀。
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。
所以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。
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:对于对景深有要求的项目,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.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。

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