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工业相机镜头选型

声明:内容来源于 ”OpenCV与AI深度学习“公众号。

1、工业镜头物理接口类型

镜头的接口尺寸是有国际标准的,共有三种接口型式,即F型、C型、CS型。F型接口是通用型接口,一般适用于焦距大于25mm的镜头;而当镜头的焦距约小于25mm时,因镜头的尺寸不大,便采用C型或CS型接口。

C接口和CS接口的区别

C与CS接口的区别在于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)的距离不同,C型接口此距离为17.5mm., CS型接口此距离为12.5mm.

C型镜头与C型摄像机,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。

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2、工业镜头参数

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?)

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。

(需要记住的公式)

f={工作距离/视野范围长边(或短边)}X CCD长边(或短)

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。

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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。

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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,f2.8 etc

光学放大倍数

用于计算主要缩放比例的公式如下:

PMAG = 感光芯片尺寸 (mm) / 视场 (mm)

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相机参数

相机分辨率

分辨率由相机所采用的芯片分辨率决定,是芯片阵列排列的像元数量,对于面阵相机来说水平分辨率和垂直分辨率相乘即为相机的分辨率。例如

一个相机的分辨率是1280(H)×1024(V),表示每行的像元数量是1280,像元的行数是1024,此相机的分辨率是130万像素。在对同样大小的视场成像时,分辨率越高,对细节的展示越明显。目前常用相机的分辨率有30万,80万,130万,200万,500万等。

使用技巧:

视场,相机分辨率和视觉系统精度的计算

在实际使用时,我们通常需要知道图像单位(像素)和实际物理单位(mm)之间的对应关系,即视觉系统所能达到的精度,

计算公式为:

单方向视野范围大小/相机单方向分辨率=理论精度

例如:视场水平方向的长度是32mm,相机水平分辨率是1600,所以视觉系统精度为32mm/1600像素=0.02mm/像素,表示图像中每个像素对应0.02mm,即为视觉系统的理论精度。

在选择相机,尤其是用视觉进行测量时,为了提高系统的稳定性,通常需要视觉系统的理论精度大于要求的实际精度。

例如:

用视觉系统,测量圆孔的直径,圆孔的大小是4±0.1mm,要求的测量精度是0.02mm,视觉系统水平方向的长度是5mm。

为了提高系统的稳定性,我们选择4个像素对应0.02mm,则视觉系统精度是0.02mm/4像素=0.005mm/像素,所以相机水平方向的分辨率要不小于5mm /0.005mm/像素=1000像素。选择1280×1024分辨率的相机即可满足要求。

像元尺寸

像元尺寸是相机芯片上每个像元的实际物理尺寸,常见的有3.45μm,3.75μm ,4.4μm,4.65μm,6.45μm,7.4μm,9.6μm等。对同型号和同尺寸的芯片,外部光照环境和相机参数设置相同(比如曝光时间和增益等)的情况下,像元尺寸越大,能够接收到的光子数量越多,所成像的图像越亮。

使用技巧:

通过选择大像元尺寸的相机弥补图像的亮度不足。

在有些使用场合,相机的曝光时间需要设置很短,无法加长;同时光源的亮度也无法再提高,而图像的亮度仍然达不到我们所需要的亮度。

在此时,可以考虑采用更大像元尺寸的相机,来提高感光性,增加图像亮度。

例如采用1/3”,30万像素的CCD相机,在上述的其他条件的制约下,图像仍然不够亮;可以考虑采用1/2”,30万像素的CCD相机,以提高图像亮度。

计算运动物体不产生拖影的曝光时间

在拍摄高速运动物体的场合,选择帧曝光的相机后,还需要计算相机的曝光时间,以使图像不产生拖影,理论的计算原则是:运动物体在相机芯片上所成的像,在曝光时间内,移动的距离不超过一个像元尺寸。

例如:物体运动速度是150mm/s,沿芯片水平方向运动,相机是1/2”芯片(6.4mm×4.8mm),视场水平方向长度是20mm,像元尺寸是4.65μm,计算成像时不产生拖影的曝光时间。首先计算出像的运动速度,放大倍数为6.4mm/20mm=0.32,所以像的运动速度是0.32×150mm/s=48mm/s;根据计算原则,(曝光时间)×48mm/s=4.65μm,所以曝光时间为0.000097s,曝光时间设置为100µs即可

像元深度

数字相机输出的数字信号,对于每一个像元灰度值,都有统一的比特位数,称为像元深度。对于黑白相机来说,像元深度定义灰度由暗到亮的灰

阶数。例如,像元深度是8位的相机,输出的图像灰度等级是2的8次方,即0-255共256级。像元深度是10位的相机,输出的图像灰度等级是2的10次

方,即0-1023共1024级。像元深度越大,固然可以增强测量的精度,但同时也降低了系统的速度,所有我们要谨慎选择。一般工业上都是使用8位的像元深度。

3、远心镜头

远心镜头(Telecentric),主要是为纠正传统工业镜头视差而设计,它可以在一定的物距范围内,使得到的图像放大倍率不会变化,其本质是普通镜头与小孔成像原理的相结合;

工业相机镜头选型
工业相机镜头选型

4、工业镜头选型案例

案例分析:

已知条件:工业相机型号已经选择好,

具体参数:工业相机芯片尺寸为2/3",C接口,500万像素;

视野是100*100mm, 工作距离:500mm;

根据以上条件,我们来选择合适的工业镜头;

镜头接口: 首先工业镜头要和工业相机接口一致,所以这里也选择C接口;

镜头大小: 遵循镜头大小要大于相机的芯片大小,所以这里镜头尺寸最少支持2/3";

镜头分辨率: 镜头的分辨率要高于相机的分辨率,所以选择5百万像素以上;

焦距: 500(工作距离)× 8.8(芯片水平长度)/ 100(视野)=44mm;

镜头放大倍率: 8.8(芯片水平长度)/ 100=0.088

附加:

一、机器视觉中工业镜头的计算方式

1、WD 物距 工作距离(Work Distance,WD)。

2、FOV 视场 视野(Field of View,FOV)

3、DOV 景深(Depth of Field)。

4、Ho:视野的高度

5、Hi:摄像机有效成像面的高度(Hi来代表传感器像面的大小)

6、PMAG:镜头的放大倍数

7、f:镜头的焦距

8、LE:镜头像平面的扩充距离

工业相机镜头选型

二、相机和镜头选择技巧

1、相机的主要参数:

  感光面积SS(Sensor Size)

2、镜头的主要参数:

  焦距FL(Focal Length)

  最小物距Dmin(minimum Focal Distance)

3、其他参数:

  视野FOV(Field of View)

  像素pixel

  FOVmin=SS(Dmin/FL)

  如:SS=6.4mm,Dmin=8in,FL=12mm pixel=640*480

  则:FOVmin=6.4(8/12)=4.23mm 4.23/640=0.007mm

  如果精度要求为0.01mm,1pixels=0.007mm<0.01mm

  结论:可以达到设想的精度

工业相机镜头选型

三、工业相机传感器尺寸大小:(单位:mm)

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四、CCD相机元件的尺寸

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五、线阵传感器尺寸(单位:mm)

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六、公式:

  分辨率(μm)=0.61(固定值)x0.55(设计波长)÷NA

   有效F No=放大倍率/2NA

   景深(mm)=2(可接受的模糊圆直径x有效F No÷放大倍率2)

   光通量直径(φ)=2NAx物体的高度+视野尺寸(角度)

七、显示器倍率及综合倍率的求法:

  显示器倍率=显示器英寸数x25.4(1英寸)÷CCD相机对角尺寸

   综合倍率=显示器倍率x光学倍率

   例:2x光学倍率镜头和1/2’’ CCD相机的组合,在14’'显示器上的影像综合倍率

  

   

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八、光学放大率

工业相机镜头选型

最后,这个不错的公众号推荐一下。

工业相机镜头选型

最最后,附上另外一个不错的博客文章:

工业相机与镜头选型方法(含实例)

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