照相光学系统

1、照相光学系统及组件选型照相光学系统 光学系统的组成是由透镜、反射镜、及光阑等多种光学元件按一定次序组合成的整体，主要的作用是改变光线的传播方向。 透镜成像的误差及其补偿透镜成像的误差及其补偿 除了平面反射镜之外，任何光学系统成像都是有误差的。因此，我们要了解透镜成像的误差性质及其补偿方法。进而了解摄像机光学系统如何解决了透镜质量问题。照相光学系统球差球差图1为凸透镜孔径较大时，从轴上物点P发出的单色光束。通过透镜时，由于凸透镜的边缘部分比中心部分弯曲的厉害些，所以通过边缘部分的光线比近轴光线折射的严重，致使边缘部分的光聚焦于焦点F之前的Fm的点，因此在焦点处形成了一个中心亮、边缘模糊的小图盘，

2、而不是很清晰的小亮点，这样的像差称为球差。图1：球差照相光学系统色差如图2，轴上一点P发出的光为复色光，由于玻璃对不同波长的光折射率略有不同，因此不同波长的光不能会聚于一点，如图2上蓝光因波长较短成像于QF点，而红光因波长较长成像于QC点。这样形成的像差称为色差，表现为图像边缘有彩色镶边。图2：色差照相光学系统像的几何失真像的几何失真这种失真影响像与物的几何相似性，一般有桶形失真和枕形失真。桶形失真这种失真也称正失真，它是由于在物与透镜之间放置了一个光阑而形成的像差。其特点是整个像面的四个角向中心收拢，显得中间向外凸，如图3。图3：桶形失真照相光学系统枕形失真这种失真也称负失真，它是固在透镜与

3、像点之间放了一个光阑而形成的像差。其特点是整个像面的四个角向外拉伸，与桶形失真真正相反，如图311所示。图4：枕形失真照相光学系统 球差和色差的补偿凹透镜也会产生球差和色差，但其性质与凸透镜形成的像差正好相反。如凹透镜对边缘光线的外折射较大，正好可以补偿凸透镜的球差，如图5。又如凹透镜对复色光中的波长较短的光向外折射大，正好补偿凸透镜的色差，如图6。图5：凹透镜图6：凹透镜对复色光的折射照相光学系统因此，只要将凹透镜与凸透镜适当的组合起来，既可以消除像差，又不含改变透镜成像的功能。如图7，为实际使用的双透镜组和胶合双透镜。几何失真补偿几何失真补偿我们看到，当光阑位置不同时，透镜产生的失真正相反

4、。如果把光阑放在两个透镜中间 ，则两个透镜产生的失真相互抵消。图7:(a)双透镜组,(b)胶合双透镜照相光学系统 通过上面的分析，通过不同透镜的组合可以达到消除成像的误差，照相光学系统所涉及到的部件主要是镜头和相机。对于镜头的光学部件主要各种透镜的组合，对于相机主要是成像面CCD或者CMOS和滤色片。 现在以变焦镜头来讲解镜头的外部结构和内部的光学系统的组成。照相光学系统 变焦镜头的外部结构，如图7，图7变焦镜头的外部结构照相光学系统 变焦镜头的内部光学结构，如图8图8变焦镜头的内部光学结构图照相光学系统 （1）调焦组：该组镜片与镜头外部的聚焦环相连接，调节聚焦环时镜片位置改变，从而改变成像景

5、物的物距。 （2）变焦组用来改变镜头的焦距，转动镜头外部的变焦环，可以使变焦组镜头有规律移动，通过改变与第一组镜头的距离d达到使焦距f发生变化。具体说，当景物与摄像机之间距离不变时，转动变焦环使f变长，则景物范围减小，像变大似乎摄像机被推近景物；反之，当f变短，则景物范围扩大，像变小，似乎摄像机被拉远了景物。照相光学系统 （3）补偿组：变焦只改变焦距，但不希望改变景物的聚焦状态，即在变焦过程中似乎要保持图像清晰。但是移动变焦时，虽然f发生变化，但成像的位置也发生变化，即焦距发生变化。为解决这个问题，加入补偿组镜片，使其随变焦镜片移动而作相应的移动，以保持像平面基本不变，使人查觉不出图像清晰度的

6、变化。 （4）移像组 ：因为在镜头的最后一片镜片与摄像管成像面之间要安装分光棱镜系统，所以需要加一组镜片将成像面后移一段距离（也称后焦距），这就是增加移像组镜片的目的。照相光学系统 分光棱镜：将进入摄像机的光线按照一定的光谱响应要求分解成R、G、B三路基色光，也就是说将一副彩色图像分解成三幅基色图像，分别投射到三片CCD或CMOS摄像器件的感光面上。 滤色片：滤色片的本质就是带有颜色的镜片 摄像机的滤色片安装在摄像机内， 主要功能就是辅助调白平衡 ，使得画面的色彩正常组件选型 但是在我们在选用时镜头并不需要了解复杂光学理论，只需要了解相机和镜头选用参数。以下主要讲解工业镜头和工业相机选型。工业

7、镜头的选择 选择镜头接口选择镜头接口 镜头接口只要可跟相机接口匹配安装或可通过外加转换口匹配安装就可以了。一般的接口为C、CS接口。 镜头可支持的最大CCD尺寸应大于等于选配相机CCD芯片尺寸。例如2/3”镜头支持最大的工业相机耙面为2/3”（就是CCD的大小）,它是不能支持1英寸以上的工业相机。 光圈：光圈：光圈作为相机镜头内的一个元件，它的作用是控制透过镜头进入机身内感光元件的光量，所以光圈的一大功能就是控制进光量的多少。一般来说完整的光圈值系列如下：f1.0，f1.4，f2.0，f2.8，f4.0，f5.6，f8.0，f11，f16，f22，f32，f44，f64。我们可以通过一张简单的

8、示意图来说明不同数值的光圈和它孔径大小的关系。工业镜头的选择光圈：光圈：光圈作为相机镜头内的一个元件，它的作用是控制透过镜头进入机身内感光元件的光量，所以光圈的一大功能就是控制进光量的多少。一般来说完整的光圈值系列如下：f1.0，f1.4，f2.0，f2.8，f4.0，f5.6，f8.0，f11，f16，f22，f32，f44，f64。我们可以通过一张简单的示意图来说明不同数值的光圈和它孔径大小的关系。图9：光圈工业镜头的选择光圈 f 值越小，通光孔径越大，如图9，在同一单位时间内的进光量便越多，光圈 f 值越大，通光孔径越小，在同一单位时间内的进光量便越少，而且上一级的进光量刚好是下一级的两

9、倍，例如光圈从F8调整到5.6 ，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级，F5.6的通光量是F8的两倍。同理，F2是F8通光量的16倍，从F8调整到F2，光圈开大了四级。对于消费型数码相机而言，光圈 f 值常常介于 f2.8f11之间。此外许多数码相机在调整光圈时，可以做 1/3 级的调整。工业镜头的选择快门快门：快门的速度单位是“秒”。常见的快门速度有：1 1/2 1/4 1/8 1/15 1/30 1/60 1/125 1/250 1/500 1/1000 1/2000等。相邻两级的快门速度的曝光量相差一倍，我们常说相差一级。如1/60秒比1/125秒的曝光量多一倍，即1/60秒比1/12

10、5秒速度慢一级或称低一级，1/60秒的曝光量是1/125秒曝光量的2倍。一般来说人手持相机拍摄时快门速度不能低于1/30秒，不然很容易因为抖动而拍虚，如果必须要使用慢速快门，那最好给相机配备一个三脚架。总结：快门速度越快，光线通过时间越短，画面越暗 快门速度越慢，光线通过时间越长，画面越亮工业镜头的选择视场视场/视场角：视场是指镜头能观测到的实际范围的物理尺寸，在一视场角：视场是指镜头能观测到的实际范围的物理尺寸，在一般应用中，镜头的视场大小和相机的分辨率，决定了视觉系统所能达般应用中，镜头的视场大小和相机的分辨率，决定了视觉系统所能达到的视觉检测精度。视场角是以被测物的物象可通过镜头的最大范

11、围到的视觉检测精度。视场角是以被测物的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。的两条边缘构成的夹角。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，以有利于运动控制。如图10图10：视场角和视场工业镜头的选择景深景深：所谓景深，就是当焦距对准某一点时，其前后都仍可清晰的范围，一般来说，镜头的焦距越短，景深越大；焦距越长，景深越小。对同一个镜头，光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。如图11.图11：景深工业镜头的选择焦距（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，如图1

12、2.焦距大小的影响情况：焦距大小的影响情况： 镜头焦距的长短决定着拍摄的工作距离、成像大小、视场角大小及景深大小图12：焦距工业镜头的选择注意与光源的配合，选配合适的镜头注意与光源的配合，选配合适的镜头 。光波长度的影响：光波长度的影响：在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用，如图13.7.可安装空间可安装空间：在方案可选择情况下，让客户更改设备尺寸是不现实的。图13：可见光谱工业相机的选择1、根据应用的不同分别选用、根据应用的不同分别选用CCD或

13、或CMOS相机相机CCD工业相机主要应用在运动物体的图像提取，且对光的灵敏度比CMOS相机高，如贴片机机器视觉，当然随着CMOS技术的发展，许多贴片机也在选用CMOS工业相机。用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD工业相机比较多。 CMOS工业相机由成本低，功耗低也应用越来越广泛。CCD尺寸的解释（也适用尺寸的解释（也适用CMOS尺寸）：尺寸）：基本上，常用的 CCD 尺寸并不是单位而是比例 ！ 1英吋 CCD Size = 长 12.8mm X 宽 9.6mm = 对角线为 16mm 之对应面积。根据勾股定理，可得出该三角之三边比例为 4：3：5；换句话说，我无须给你完整的面积参数，只要

14、给你该三角形最长一边长度，你就可以透过简单的定理换算回来。有了固定单位的 CCD 尺寸就不难了解余下 CCD Size 比例定义了，例如: 1/2 CCD Size 的对角线就是 1的一半为8mm，面积约为 (8/5)*4*(8/5)*3/122.88=1/4。工业相机的选择 2、与、与镜头镜头的匹配的匹配 传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸，C或CS安装座也要匹配（或者增加转接口）； 3.像素深度像素深度（Pixel Depth） 即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit等。工业相机的选择4.相机中的成像元件是CCD芯片。如果CCD芯片只有一

15、行感光器件(如图12右所示)，换句话说，每次只能对物体的一条线进行成像，也就是说物体必须是运动的，才能够将整个物体成像，这样的相机称为线阵相机。如果CCD芯片的感光区是个矩形阵面(如图14左所示)，换句话说，每次能对物体进行整体成像，那么，这种扫描类型成为面扫描(area scan)，这样的相机称为面阵相机。面阵相机的优点是价格便宜，处理方面，可以直接获得一幅完整的图像。线阵相机的优点是速度快，分辨率高，可以实现运动物体的连续检测，比如传送带上的滤波等带状物体(这种情况下，面阵相机很难检测)；其缺点是需要拼接图像的后续处理。 图14 左图为面阵相机，右图为线阵相机工业相机的选择 5.相机分辨率

16、相机分辨率(Camera Resolution) 分辨率是影响图像效果的重要因素，我们一般用水平和垂直方向上所能显示的像素数来表示分辨率，例如640480。该值越大图形文件所占用的磁盘空间也就越多，从而图像的细节表现得更充分。 6.帧率：指的是相机每秒钟能采集多少幅图像，1幅图像为1帧。例如15帧/秒，表示相机一秒钟最大能采集15幅图像。一般来说，分辨率越大的相机，帧率越低。 工业相机的选择 7.相机的图像传输方式相机的图像传输方式 按照不同的图像传输方式，相机可以大略的分为模拟相机模拟相机和数字相机和数字相机。 （1）模拟相机（）模拟相机（PCI采集卡）采集卡） 对速度，精度要求不高可选择

17、。优点：稳定，性价比高 。缺点：帧率低，一般只能达到25帧30帧 ，分辨率不高等。在高速、高精度机器视觉应用中，一般都会考虑数字相机。 （2）数字相机）数字相机 数字相机先把图像信号数字化后通过数字接口传到电脑中。常见的数字相机接口有Firewire、CameraLink、GigE和USB。工业相机的选择 Firewire即即IEEE1394，开始是为数字相机和PC连接设计的，它的特点是速度快(400Mbits/s)，通过总线供电和支持热插拔。另外值得一提的是，如果PC上自带Firewire接口，那么不需要为相机额外购买一块图像采集卡了，这在成本上也是一种优势。优点：不占系统CPU，帧频高，

18、缺点：占PCI插槽，价格昂贵工业相机的选择 （2）Camera Link是一个工业高速串口数据连接标准，它是由National Instruments、摄像头供应商和其他图像采集公司在2000年10月联合推出的，它在一开始就对接线、数据格式、触发、相机控制等做了考虑，所以非常方便机器视觉应用。Camera Link的数据传输率可达1Gbits/s，可提供高速率、高分辨率和高数字化率，信噪比也大大改善。Camera Link的标准数据线长3米，最长可达10米。如果是高速或高分辨率的应用，Camera Link肯定是首选。需要接图像采集卡，成本较高。工业相机的选择 （3）GigE即千兆以太网接口，它综合了高速数据传输和远距离的特点，而且电缆便宜(网线)。缺点是支持这种接口的相机型号比较少，选择有限。 （4）USB接口接口工业数字相机是采用了高速USB2.0 接口和大面阵CMOS图像传感器的高分辨率数字相机产品。此系列不需要额外的采集设备即可获得实时无压缩视