CCD以及鏡頭入門知識(shí)

會(huì)計(jì)學(xué)1CCD以及鏡頭入門知識(shí)感光器件類型工業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)分為兩大類，CCD器件和CMOS器件CCDCMOS設(shè)計(jì)單一感光器,集中統(tǒng)一放大每個(gè)感光器連接放大器靈敏度同樣面積下高,感光開口小靈敏度低成本線路品質(zhì)影響程度高，成本高CMOS整合集成，成本低解析度連接復(fù)雜度低，解析度高新技術(shù)解析度高噪點(diǎn)比單一放大，噪點(diǎn)低放大器多,特性不同，噪點(diǎn)高功耗比需外加電壓，功耗高直接放大，功耗低第1頁/共31頁按用途分類工業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)分為機(jī)器視覺相機(jī)和安防監(jiān)控相機(jī)兩大類機(jī)器視覺安防監(jiān)控觸發(fā)采集模式含有觸發(fā)采集接口無觸發(fā)采集接口分辨率從高到低都有，很豐富一般較低程序接口有完善的程序開發(fā)庫，尤其對(duì)圖像捕捉功能支持很齊全一般只有連續(xù)視頻捕捉功能價(jià)格貴很便宜數(shù)據(jù)傳輸接口各種類型都有，USB，千兆以太網(wǎng)，CameraLink，1394等等目前以模擬接口為主，數(shù)字接口較少第2頁/共31頁按感光單元排列方法工業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)分為線陣掃描相機(jī)和面陣掃描相機(jī)線陣相機(jī)面陣相機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在同等分辨率下成本較低結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在同等分辨率下成本較高應(yīng)用場(chǎng)合勻速運(yùn)動(dòng)的的物體，例如工業(yè)流水線,可以是靜止，也可以運(yùn)動(dòng)，分辨率512/行,2k/行，4K/行640×480，800×600，1024×768……2048×1536或者更高光源光源只需要一窄條，整個(gè)畫面比較均勻，能在低照度下工作整個(gè)面的光源較難做到均勻，照度要求高，彩色相機(jī)形式三線CCD，或者棱鏡分光彩色濾光膜，bayer算法第3頁/共31頁彩色形成方式工業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)彩色覆膜+bayer算法棱鏡分光方法第4頁/共31頁KEYENCE的CCDCCD:是ChargeCoupleDevice的縮寫，是由像素構(gòu)成。像素是指數(shù)字圖像的最小單位，是一個(gè)可以檢測(cè)光強(qiáng)度的傳感器（光電二極管）。其工作原理是光到達(dá)CCD 某個(gè)像素時(shí)，根據(jù)光的強(qiáng)度產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，將該電荷的大小讀取為電信號(hào)，即可獲得各像素上光的強(qiáng)度（濃度值）。分辨率：即像素密度。500萬像素的CCD，分辨率為2432*2050。像素越多，圖像的密度越大，對(duì)細(xì)節(jié)的表現(xiàn)就越強(qiáng)。第5頁/共31頁CCD的型號(hào)種類31萬100萬分辨率512*480，640*480100*100單元大小7.4um*7.4um型號(hào)CV-H035CCV-035CCV-S035CCV-H100CCV-H035MCV-035MCV-S035MCV-H100M逐行掃描4.7ms16.0ms20.5ms傳輸頻率40MHz*2ch40MHz*2ch傳輸方式數(shù)字序列傳輸Y方式尺寸3.6mm7.4mm第6頁/共31頁CCD的型號(hào)種類200萬500萬分辨率1600*12002432*2050單元大小4.4um*4.4um3.45um*3.45um型號(hào)CV-H200CCV-200CCV-S200CCV-H500CCV-H200MCV-200MCV-S200MCV-H500M逐行掃描29.2ms58.5ms61.2ms傳輸頻率41MHz*2ch40MHz65MHz*2ch傳輸方式數(shù)字串行傳輸數(shù)字序列傳輸數(shù)字串行傳輸Y方式尺寸5.3mm7.1mm第7頁/共31頁CCD的選型

1檢測(cè)精度檢測(cè)精度（mm/pixel）=Y方向的視野/CCD在Y方向上的像素?cái)?shù)執(zhí)行缺陷檢測(cè)和尺寸檢測(cè)時(shí)的最小可檢測(cè)物體尺寸為4個(gè)像素的正方形，尺寸容差為±5個(gè)像素。2色彩選擇

色調(diào)變化時(shí)選擇彩色，亮度變化可選黑白3根據(jù)傳輸時(shí)間選擇高速型或標(biāo)準(zhǔn)型4根據(jù)CCD尺寸選擇超小型或標(biāo)準(zhǔn)型第8頁/共31頁鏡頭外形鏡頭基本知識(shí)機(jī)器視覺常用定焦鏡頭，并且都是手動(dòng)調(diào)整光圈，一般不允許自動(dòng)調(diào)整光圈，鏡頭上有調(diào)焦和調(diào)光圈兩個(gè)環(huán)，為了防止誤碰動(dòng)，工業(yè)鏡頭的兩個(gè)環(huán)都有鎖定螺絲。注意調(diào)焦環(huán)不是用來調(diào)整焦距，而是調(diào)整像距，保證清晰圖像落在焦平面上第9頁/共31頁常用鏡頭參數(shù)：焦距鏡頭基本知識(shí)鏡頭焦距是指鏡頭光學(xué)后主點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離。鏡頭焦距的長(zhǎng)短決定著拍攝的成像大小，視場(chǎng)角大小，景深大小和畫面的透視強(qiáng)弱。當(dāng)對(duì)同一距離遠(yuǎn)的同一個(gè)被攝目標(biāo)拍攝時(shí)，鏡頭焦距長(zhǎng)的所成的像大，鏡頭距短的所成的像小。根據(jù)用途，相見的工業(yè)鏡頭焦距有：5mm、8mm、12mm、25mm、35mm、50mm、75mm等)。焦距越小的鏡頭越不好做，價(jià)格越高，邊緣變形等問題越大，所以盡量選用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，性價(jià)比最高第10頁/共31頁常用鏡頭參數(shù)：光圈鏡頭基本知識(shí)光圈是一個(gè)用來控制光線透過鏡頭，進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面的光量的裝置光圈f值=鏡頭的焦距/鏡頭口徑的直徑根據(jù)公式，光圈f值愈小，在這同一單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)光量便愈多，每級(jí)光圈一般以倍數(shù)遞增，例如f8調(diào)整到f5.6，進(jìn)光量多一倍第11頁/共31頁常用鏡頭參數(shù)：景深鏡頭基本知識(shí)鏡頭景深是指鏡頭對(duì)焦前后所能成像的清晰范圍。當(dāng)鏡頭聚集于被攝影物的某一點(diǎn)時(shí)，這一點(diǎn)上的物體就能在CCD上清晰地成像。在這一點(diǎn)前后一定范圍內(nèi)的景物也能記錄得較為清晰。這就是說，鏡頭拍攝景物的清晰范圍是有一定限度的。這種聚焦成像面前后能記錄得“較為清晰”的被攝影物縱深的范圍便為景深。第12頁/共31頁景深與對(duì)焦之間的關(guān)系第13頁/共31頁第14頁/共31頁焦距，光圈和景深的關(guān)系可以歸納如下：(1)、鏡頭光圈：光圈越大，景深越??；光圈越小，景深越大；(2)、鏡頭焦距鏡頭焦距越長(zhǎng)，景深越?。唤咕嘣蕉?，景深越大；(3)、拍攝距離距離越遠(yuǎn)，景深越大；距離越近，景深越小。第15頁/共31頁光圈越小，景深越大鏡頭基本知識(shí)第16頁/共31頁增加景深的問題鏡頭基本知識(shí)1小光圈2小焦距3大距離（WD）4高照明第17頁/共31頁常用鏡頭參數(shù)：分辨率鏡頭基本知識(shí)鏡頭分辯率指的是在像平面處1毫米內(nèi)能分辨開的黑白相間的線條對(duì)數(shù)，單位是“線對(duì)/毫米”。

條包檢測(cè)器上用computarMP0814-MP鏡頭，是百萬象素級(jí)的鏡頭,分辨率為100線對(duì)/mm，這個(gè)分辨率較高。其實(shí)除了視覺測(cè)量，其實(shí)我們的產(chǎn)品一般都不用這么高的分辨率CCD的芯片的分辨率越高，要求的鏡頭的分辨率也越高第18頁/共31頁常用鏡頭參數(shù)：變形率鏡頭基本知識(shí)所有的鏡頭都存在有變形的現(xiàn)象?？梢杂靡粋€(gè)網(wǎng)格線模板進(jìn)行測(cè)試，一般情況下越是焦距短的鏡頭，越是變形率大。變形率小于2%都是不錯(cuò)的鏡頭變形率定義:兩張底片比較，一張是該鏡頭拍的底片（底片1），另一張是無變形的標(biāo)準(zhǔn)底片（底片2），兩張底片取景相同，中心點(diǎn)嚴(yán)格一致，先在底片1上確定一點(diǎn)到底片中心點(diǎn)的距離（距離1），然后在底片2上找到對(duì)應(yīng)的該點(diǎn)并量度該點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離（距離2），然后:（距離1-距離2）/距離2*100%第19頁/共31頁C接口和CS接口鏡頭基本知識(shí)C接口:鏡頭基準(zhǔn)面到焦平面（也就是CCD靶面）17.526mmCS接口:鏡頭基準(zhǔn)面到焦平面（也就是CCD靶面）12.5mm注意：機(jī)械設(shè)計(jì)如何確定焦平面(也就是CCD靶面)，一般就是從相機(jī)鏡頭接口往后量12.5或者17.526mm(根據(jù)相機(jī)接口類型定)如果CS相機(jī)接口安裝C接口鏡頭，必須加裝5mm厚的接圈第20頁/共31頁常用鏡頭參數(shù)：放大倍率鏡頭基本知識(shí)指物體通過透鏡在焦平面的成像大小與物體實(shí)際大小的比值。在相機(jī)鏡頭中，一般會(huì)標(biāo)稱“最大放大倍率”，指該鏡頭在：1.最大焦距（定焦頭焦距恒定）;2.清晰成像的最近拍攝距離;兩個(gè)條件下的放大倍率值。這時(shí)的放大倍率值是這個(gè)鏡頭放大倍率的最大值。大多數(shù)鏡頭的放大倍數(shù)是小于1的，也就是說大多鏡頭的成像其實(shí)是縮小的。第21頁/共31頁常用鏡頭參數(shù)：光學(xué)放大倍率鏡頭基本知識(shí)用于計(jì)算主要縮放比例的公式如下：PMAG

=

感光芯片尺寸(mm)/視場(chǎng)(mm)第22頁/共31頁常用鏡頭參數(shù)：顯示放大倍率鏡頭基本知識(shí)顯示放大倍率在顯微中應(yīng)用非常廣泛，被測(cè)物體的顯示放大倍率取決于三個(gè)因素：鏡頭光學(xué)倍率、工業(yè)相機(jī)感光芯片的尺寸（靶面大?。?、顯示器尺寸。顯示放大倍率=鏡頭光學(xué)倍率×顯示器尺寸×25.4/耙面對(duì)角線尺寸第23頁/共31頁鏡頭的選擇要點(diǎn)鏡頭基本知識(shí)1、視野范圍、光學(xué)放大倍數(shù)及期望的工作距離：在選擇鏡頭時(shí)，我們會(huì)選擇比被測(cè)物體視野稍大一點(diǎn)的鏡頭，以有利于運(yùn)動(dòng)控制。2、景深要求：對(duì)于對(duì)景深有要求的項(xiàng)目，盡可能使用小的光圈；在選擇放大倍率的鏡頭時(shí)，在項(xiàng)目許可下盡可能選用低倍率鏡頭。如果項(xiàng)目要求比較苛刻時(shí)，傾向選擇高景深的尖端鏡頭。3、芯片大小和相機(jī)接口：例如2/3”鏡頭支持最大的工業(yè)相機(jī)耙面為2/3”,它是不能支持1英寸以上的工業(yè)相機(jī)。4、注意與光源的配合，選配合適的鏡頭。5、可安裝空間：在方案可選擇情況下，讓客戶更改設(shè)備尺寸是不現(xiàn)實(shí)的。第24頁/共31頁CCD成像基礎(chǔ)公式光路計(jì)算1/u+1/v=1/fu:物距v:像距f:焦距CCD靶面鏡頭中心點(diǎn)目標(biāo)物體vu視角第25頁/共31頁CCD光路計(jì)算規(guī)律光路計(jì)算在我們的計(jì)算中，一般有如下規(guī)律u>>f:物距一般遠(yuǎn)大于焦距，例如除雜機(jī)鏡頭焦距28mm，物距在一米左右v≈f:由于u>>f根據(jù)公式所以像距基本等于焦距，事實(shí)上調(diào)焦的過程就是將像距微調(diào)，和焦距基本相差不遠(yuǎn)鏡頭中心點(diǎn)的確認(rèn)：由于v≈f

，所以從CCD靶面向前焦距距離就是鏡頭中心點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)的確定對(duì)我們光路作圖意義很大第26頁/共31頁視角和鏡頭中心點(diǎn)光路計(jì)算CCD靶面鏡頭中心點(diǎn)v視角視角＝2arctag(CCD靶面尺寸/2v

)由于v≈f，所以視角≈

2arctag(CCD靶面尺寸/2f

)

鏡頭中心點(diǎn)的位置大致就在靶面向前f的距離上

視場(chǎng)范圍u第27頁/共31頁視角和鏡頭以及CCD尺寸均相關(guān)

1/3”CCD視角

標(biāo)準(zhǔn)鏡頭是指和人眼有效視角差不多的鏡頭（大約30°），1/3”CCD的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭是8mm,1/2”CCD的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭是12mm。以前35mm膠卷的照相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭是50mm,除雜機(jī)用的線陣相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭大致為40mm,標(biāo)準(zhǔn)鏡頭比較容易制造，性價(jià)比較高視角的進(jìn)一步知識(shí)光路計(jì)算2.8mm3.5mm4mm4.8mm6mm8mm86.3°67.4°62°52.2°42.3°32.6°第28頁/共31頁光路作圖步驟一光路計(jì)算CCD靶面鏡頭中心點(diǎn)f1、查CCD手冊(cè)得到靶面尺寸和位置，并在CAD圖上畫出靶面的位置 2、從靶面向前f（鏡頭的焦距，例如35mm）找到鏡頭中心點(diǎn)3、連線即可得到CCD的視野范圍4、如果視野不滿足要求，可通