相機(jī)鏡頭原理及其選型

1、相機(jī)、鏡頭原理及其選型1. 凸透鏡成像原理成像平面鏡頭焦距成像平面鏡頭焦距圖 1注：相機(jī)鏡頭中的焦距為：凸透鏡焦點(diǎn)到成像平面的距離圖 22. 相機(jī)原理鏡頭部分相機(jī)機(jī)身相機(jī)成像實(shí)際就是凸透鏡成像，拍攝物體反射光經(jīng)鏡頭（凸透鏡）聚焦，在感光系統(tǒng)上形成倒立縮小的像，像經(jīng)進(jìn)一步處理得到相片或數(shù)碼圖像。3. 相機(jī)相關(guān)概念3.1. CCD（Charge-coupled Device，電荷耦合元件）CCD是圖像傳感器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)處理后成為圖像信號(hào)。結(jié)構(gòu)：(1)、 大量光敏元件排在一起組成感光元件（每個(gè)光敏元件為一個(gè)像素點(diǎn)）。(2)、 并行信號(hào)寄存器，用于暫時(shí)儲(chǔ)存感光后

2、產(chǎn)生的電荷。(3)、 串行信號(hào)寄存器，暫時(shí)儲(chǔ)存并行寄存器的模擬信號(hào)并將電荷轉(zhuǎn)移放大。(4)、 信號(hào)放大器，放大微弱電信號(hào)。(5)、 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器，將放大的電信號(hào)轉(zhuǎn)換。目前工業(yè)相機(jī)主要CCD尺寸3.2. CMOS和CCD一樣，是圖像傳感器。區(qū)別在于：(1)、 信號(hào)的讀出過程不同，CCD是通過一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一讀出像素，CMOS通過單個(gè)像素同時(shí)讀取，因此一致性CCD更好。(2)、 集成性CCD更復(fù)雜(3)、 CMOS讀取速度更快。(4)、 CCD技術(shù)更成熟，噪聲少，成像質(zhì)量更好。3.3. 像素相機(jī)感光元件上每個(gè)光敏元件即為一個(gè)像素點(diǎn)。注：要想得到高清照片，必須保證有一定的像素?cái)?shù)。但并非像素?cái)?shù)越大，照

3、片的就越清晰。照片的清晰度是由“點(diǎn)像"決定，即每點(diǎn)（寸等）有多少像素。通常相機(jī)的像素大小又被叫做相機(jī)分辨率。3.4. 感光度（IOS）、增益（Gain）(1)、 感光度：為數(shù)碼單反相機(jī)的參數(shù)之一，表示圖像傳感器或膠片對(duì)光的敏感程度，增加感光度，圖像更亮，但畫質(zhì)變差。(2)、 增益：為工業(yè)相機(jī)參數(shù)之一，是調(diào)節(jié)感光度的一種方法。增益增加，圖像更亮，但畫質(zhì)變差。(3)、 感光度和增益的區(qū)別為：一：適用對(duì)象不同，感光度常用于數(shù)碼單反相機(jī)，而增益用于工業(yè)相機(jī)；二：提高感光度可通過多種方式獲得，而提高增益恰是提高感光度的一種方式。3.5. 幀率相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對(duì)于面陣相機(jī)一般為每秒采集的

4、幀數(shù)(Frames/Sec.)，對(duì)于線陣相機(jī)為每秒采集的行數(shù)(Hz)。4. 鏡頭相關(guān)概念4.1. 焦距成像光線在鏡頭內(nèi)交點(diǎn)到影像傳感器的距離稱作焦距，焦距數(shù)值小，視角大；焦距數(shù)值大，視角小。藍(lán)色光線所表示的焦距相對(duì)紅色變大，其視角則變小。4.2. 光圈 光圈：由葉片組成的用于控制光通過量的裝置。絕對(duì)孔徑：光圈的實(shí)際孔徑大小。曝光量：除去外部環(huán)境因素，曝光量與曝光度和曝光時(shí)間成正比。曝光時(shí)間由快門決定，而曝光度與光圈的絕對(duì)孔徑和鏡頭焦距成正比。相對(duì)孔徑： 為了反映曝光度，將孔徑與焦距的比值定義為相對(duì)孔徑。光圈值（f）：為焦距與絕對(duì)孔徑的比值，即相對(duì)孔徑的倒數(shù)。較大的光圈（較小的f值）意味著有更多

5、光線通過鏡頭，可在弱光環(huán)境中拍攝。4.3. 快門通過控制曝光時(shí)間控制曝光量的裝置。快門分機(jī)械快門和電子快門。機(jī)械快門：通過機(jī)械方式控制通光孔（快門）的開閉。電子快門：利用了CCD感光系統(tǒng)不通電不工作的原理。4.4. 景深(1)、 拍攝景物中能產(chǎn)生較為清晰影像的最近點(diǎn)至最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離。光圈值越大，景深越??；光圈值越小、景深越大。焦距越長(zhǎng)，景深越??；焦距越短，景深越大。距離拍攝體越近時(shí)，景深越?。?2)、 景深與光圈的關(guān)系（進(jìn)一步說明景深）注：彌散圓：物點(diǎn)成像時(shí)，由于像差，其成像光束不能會(huì)聚于一點(diǎn)，而是在像平面上形成一個(gè)擴(kuò)散的圓形投影，成為彌散圓。彌散圓只要在人眼接受范圍內(nèi)，就算清晰的像。由上圖可知

6、，當(dāng)使用小光圈時(shí)，在更大的景深范圍內(nèi)依然形成滿足清晰要求的彌散圓。因此，小光圈（更大f值），景深更大。4.5. 分辨率在成像平面上1毫米間距內(nèi)能清晰分辨的黑白相間的線條對(duì)數(shù)，單位是“線對(duì)/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）。測(cè)試方法：將待測(cè)鏡頭裝在一個(gè)膠片照相機(jī)上。去拍攝黑白條紋圖（分辨率圖版），然后用高倍放大鏡（鏡頭分辨率檢測(cè)儀）檢測(cè)底片上每毫米范圍內(nèi)能清晰分辨的線條對(duì)數(shù)，能分辨得越多則分辨率越高。注：鏡頭分辨率和相機(jī)分辨率配合，才能排出高質(zhì)量圖像。4.6. 視場(chǎng)(Field of view, 即FOV，也叫視野范圍)指觀測(cè)物體的可視范圍，也就是充滿相機(jī)采集芯片的物體部分。4.

7、7. 工作距離(Working Distance,即WD)指清晰成像時(shí)，從鏡頭前部到受檢驗(yàn)物體的距離。4.8. 失真（distortion）又稱畸變，指被攝物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變?；兿癫钪挥绊懹跋竦膸缀涡螤?，而不影響影像的清晰度。畸變透鏡的固有特性（凸透鏡匯聚光線、凹透鏡發(fā)散光線），所以無法消除，只能改善。工業(yè)上對(duì)畸變要求高的場(chǎng)合可選用遠(yuǎn)心鏡頭。4.9. 鏡頭類型標(biāo)準(zhǔn)、遠(yuǎn)心、廣角、近攝、遠(yuǎn)攝。5. 工業(yè)相機(jī)及鏡頭選型說明5.1. 選擇相機(jī)感光芯片尺寸(1)、 原則一：相機(jī)像素大小（分辨率）所需相機(jī)像素大小(2)、 原則二：鏡頭可支持的最

8、大感光芯片尺寸相機(jī)芯片尺寸(3)、 原則三：靜止拍照、全局曝光選CMOS；運(yùn)動(dòng)拍照選CCD。5.2. 選擇相機(jī)與鏡頭接口類型5.3. 波長(zhǎng)、變焦與否成像過程中需要改變放大倍率的應(yīng)用，采用變焦鏡頭，否則采用定焦鏡頭。工業(yè)相機(jī)鏡頭的工作波長(zhǎng)，可考慮：是否采用可見光波段；是否采取濾光措施；單色光還是多色光；能否有效避開雜散光的影響？5.4. 鏡頭工作距離與焦距一般地：結(jié)合CCD像素尺寸、工作距離，視角大小可計(jì)算工業(yè)相機(jī)鏡頭的焦距。5.5. 選擇光圈鏡頭的光圈大小決定圖像的亮度，在拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體、曝光時(shí)間很短的應(yīng)用中，應(yīng)該選用大光圈鏡頭，以提高圖像亮度。5.6. 特殊要求優(yōu)先考慮結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用特點(diǎn)，

9、可能會(huì)有特殊的要求。例如是否有測(cè)量功能，是否需要使用遠(yuǎn)心鏡頭，成像的景深是否很大等等。5.7. 成本和技術(shù)成熟度如果以上因素考慮完之后有多項(xiàng)方案都能滿足要求，則可以考慮成本和技術(shù)成熟度，進(jìn)行權(quán)衡擇優(yōu)選取。6. 相機(jī)鏡頭選型示例6.1. 例一：同時(shí)選擇相機(jī)和鏡頭6.2. 例二：已知相機(jī)選擇鏡頭要給硬幣檢測(cè)成像系統(tǒng)選配工業(yè)相機(jī)鏡頭，約束條件：相機(jī)CCD 2/3英寸，像素尺寸4.65m，C口。工作距離大于200mm，系統(tǒng)分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。(1)、 CCD尺寸2/3，所選鏡頭支持像面應(yīng)該不小于2/3 CCD尺寸。(2)、 接口類型C口。(3)、 與白色LED光源配合使用，鏡頭

10、應(yīng)該是可見光波段。沒有變焦要求，選擇定焦鏡頭。 (4)、 成像的放大率M=4.65/（0.05*1000）=0.093焦距f=L*M=200*0.093=18.6mm (5)、 用于工業(yè)檢測(cè)，其中帶有測(cè)量功能，所以所選鏡頭的畸變要求小。 從以上幾方面的分析計(jì)算可以初步得出這個(gè)鏡頭的“輪廓”：焦距大于17mm，定焦，可見光波段，C口，至少能配合2/3英寸CCD使用，而且成像畸變要小。按照這些要求，可以進(jìn)一步的挑選，如果多款鏡頭都能符合這些要求，可以擇優(yōu)選用。6.3. 例三:已知鏡頭選擇相機(jī)(1)、 確定像素大小，進(jìn)而確定感光芯片尺寸。(2)、 確定接口。(3)、 確定相機(jī)類型：線陣還是面陣。7.

11、 其他重要概念7.1. 遠(yuǎn)心鏡頭(1)、 概念通過在光學(xué)系統(tǒng)的中間位置放置孔徑光闌以及設(shè)計(jì)平行光路,使得在一定的物距范圍內(nèi)，圖像放大倍率不會(huì)隨物距的變化而變化。(2)、 應(yīng)用遠(yuǎn)心鏡頭主要解決的問題是：物體位置變化引起比例尺改變；畸變；投影誤差；物體邊緣測(cè)量誤差大。在工業(yè)圖像處理中，一般只使用物方遠(yuǎn)心鏡頭。偶爾也有使用兩側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭的，（當(dāng)然價(jià)格更高），像方遠(yuǎn)心鏡頭一般來說不會(huì)用。主要實(shí)際應(yīng)用：機(jī)械零件量測(cè)；塑料零件量測(cè)；玻璃及藥用容器量測(cè)；電子組件量測(cè)；粒子量測(cè)；量測(cè)高精度彩色打??；半導(dǎo)；過濾器控制；血液分析及細(xì)胞數(shù)量計(jì)算等。(3)、 原理及分類物方遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)原理及作用：平行于光軸的物方光線的

12、會(huì)聚中心位于像方無限遠(yuǎn)，稱之為：物方遠(yuǎn)心光路。將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上，當(dāng)孔徑光闌放在像方焦平面上時(shí)，即使物距發(fā)生改變，像距也發(fā)生改變，但測(cè)得的物體尺寸不會(huì)變化。其作用為：可以消除物方由于調(diào)焦不準(zhǔn)確帶來的，讀數(shù)誤差。像方遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)原理及作用：平行于光軸的像方光線的會(huì)聚中心位于物方無限遠(yuǎn)，稱之為：像方遠(yuǎn)心光路。在物方焦平面上放置孔徑光闌，使像方主光線平行于光軸，從而雖然 CCD芯片的安裝位置有改變，在 CCD 芯片上投影成像大小不變。其作用為：可以消除像方調(diào)焦不準(zhǔn)引入的測(cè)量誤差。兩側(cè)遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)原理及作用：綜合了物方/像方遠(yuǎn)心的雙重作用。主要用于視覺測(cè)量檢測(cè)領(lǐng)域。(4)、 選型說

13、明當(dāng)檢查物體遇到以下 6 中情況時(shí)，最好選用遠(yuǎn)心鏡頭：1） 當(dāng)需要檢測(cè)有厚度的物體時(shí)（厚度>1/10 FOV 直徑）；2） 需要檢測(cè)不在同一平面的物體時(shí)；3） 當(dāng)不清楚物體到鏡頭的距離究竟是多少時(shí)；4） 當(dāng)需要檢測(cè)帶孔徑、 三維的物體時(shí)；5） 當(dāng)需要低畸變、 圖像效果亮度幾乎完全一致時(shí)；6） 當(dāng)缺陷只在同一方向平行照明下才能檢測(cè)到時(shí)。根據(jù)使用情況（ 物體尺寸和需要的分辨率） 選擇物方尺寸合適的物方鏡頭和 CCD 或 CMOS 相機(jī)，同時(shí)得到像方尺寸，即可計(jì)算出放大倍率，然后根據(jù)產(chǎn)品列表選擇合適的像方鏡頭。選擇過程中還應(yīng)注意景深指標(biāo)的影響，因?yàn)橄?物倍率越大景深越小，為了得到合適的景深，可

14、能還需要重新選擇鏡頭。7.2. 面陣相機(jī)、線陣相機(jī)(1)、 面陣相機(jī)相機(jī)感光元件以矩陣排列，可直接獲取二維圖像信息，測(cè)量圖像直觀。主要用于面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)：可獲取二維圖像信息，測(cè)量圖像直觀。缺點(diǎn)：像元總數(shù)多；每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制。(2)、 線陣相機(jī)相機(jī)感光元件以線的方式排列，應(yīng)用領(lǐng)域是檢測(cè)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。優(yōu)點(diǎn)：一維像元數(shù)可以做得很多，而總像元數(shù)較面陣CCD相機(jī)少；像元尺寸比較靈活，幀幅數(shù)高，特別適用于一維動(dòng)態(tài)目標(biāo)的測(cè)量；線陣CCD 分辨力高，價(jià)格低廉，可滿足大多數(shù)測(cè)量視場(chǎng)的要求。不足：圖像獲取時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量效率低；由于掃描運(yùn)動(dòng)及相應(yīng)的位置反饋環(huán)節(jié)的存在，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本；圖像精度可能受