工业相机-镜头-光源讲解(机械手CCD)

机器视觉（机、镜头光源）全面括视系统原理描述机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两）被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统根像素分和亮度、颜色等信息变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。视系统组成部分视觉系统主要由以下部分组成照明光源镜头工业摄像机图像采处理卡图像处理系统其它外部设备相机篇详细介绍：工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，目前市面上工业相机大多是基于C（ChargeCoupledDevice）或（MetalOxideSemiconductor）芯片的相机。CCD是前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件CCD的出特点是以电荷作为信号，而不同其它器件是以电流或者电压为信号类像器件通过光电转换形成电荷包后驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的CCD相由光学镜头、时及同步信号发生器、垂直驱动器、模/字信号处理电路组成CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点图传感器的开最早出现在20世纪70年初90年代初期随着超大规模集成电路(VLSI)制造工艺技术的发展CMOS图像传感器得到迅速发展CMOS像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路模转换电路图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上具局部像素的编程随机访问的优点。目前，CMOS图传器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。、分类：任何东西分类一定有它自己的分类标准，工业相机也不例外，按照芯片类型可以分为CD相机、CMOS相；按照传感器的结构特性可以分为线相机、面阵相机；按照扫描方式可以分为隔行扫描相机逐扫相机按分辨率大小可以分为普通分辨率相机高分辨率相机；按照输出信号方式可以分为模拟相机、数字相机；按照输出色彩可以分为单白）相机、彩色相机；按照输出信号速度可以分为普通速度相机、高速相机；按照响应频率范围可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。区别：工业相机的性能稳定可靠易于安装，相机结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，可在较差的环境下使用，一般的数码相机是做不到这些的。例如：让民用数码相机一天工作24小或连续工作几天肯定会受了的。工业相机的快门时间非常短，可以抓拍高速运动的物体。例如把片贴在电风扇扇叶上以最大速度旋转，设置合适的快门时间业机抓拍一张图像能清晰辨别名片上的字体通的相机来抓拍不能达到同样效果的。3工业相机的图像传感器是逐行扫描的普通的相机的图像传感器是隔行扫描的，逐行扫描的图像传感器生产工艺比较复杂品率低出量少世界上只有少数公司能够提供这类产品，例如Dalsa、Sony，而且价格昂贵。4、业相机帧率远远高于普通相机。工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅图片，而普通相机只能拍摄2-3幅像，相差较大。5、业相机出的是裸数(rawdata)其光谱范围也往往比较宽，比较适合进行高质量的图像处理算法，例如机器视(Machine应用。而普通相机拍摄的图片，其光谱范围只适合人眼视觉，并且经过了压，图像质量较差，不利于分析理。6、业相机(IndustrialCamera)相普通相(来价格较贵。如何选择：1、据应用不同分别选用CCD或CMOS相CCD工相机主要应用在运动物体的图像提取如贴片机机器视觉然随着CMOS技的发展，许多贴片机也在选用CMOS工业相机。用在视觉自动检查的方或行业中一般用CCD工相机比较多。CMOS工业相机由成本低，功耗低应用越来越广泛。2、辨率的择首先考虑待观察或待测量物体的精度，根据精度选择分辨率。相机像素精单方向视野范围大小相单方向分辨率。则相机单方向分辨=单方向视野范围大/论精度。若单视野为5mm长理论精度为0.02mm则单方向分辨=5/0.02=250。然而为增加系统稳定性不只用一个像素单对应一个测/察精度值一般可以选择倍数4或高这样该相机需求单方向分辨率为1000，选用万像素已经足够。其次看工业相机的输出，若是体式观察或机器软件分析识别，分辨率高是有帮助的；若是VGA输或USB输，在显示器上观，则还依赖于显示器的分辨率，工业相机的分辨率再高显器分辨率不够，也是有意义的用储卡或拍照功能工相机的分辨率高也是有帮助的。3、镜头的配传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸C或CS安座也要匹配（或者增加转接口）；4、机帧数择当被测物体有运动要求时，要选择帧数高的工业相机。但一般来说分辨率越高，帧数越低。镜头篇镜头的基本功能就是实现光束变换（调制），在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将成像目标在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。基知：镜头匹配大家如何选择合适镜头，镜头选配时需要选择与摄像机接口和CCD的寸相匹配的镜头镜头C和CS的接口方式占主流。小型的安防用的CS接摄像机得到普及FA行业则大部分是C接的摄像机与镜头的组合。对应的CCD尺、市场上一般根据用途使用2/3寸到1/3寸产品。CCDCCD尺水平：H

垂直：V

对角：D型/31/2型1/3型1/4型35mm片

12.89.616.08.86.611.06.44.88.04.83.66.03.62.74.536.024.043.3互换性C口镜头可以与C口摄像机、接摄像机互用；CS接镜头不可以应用在C接摄像机，只可以应用在CS接摄像机。KERARE摄像机如果使用配备小尺的镜头，那周边没有摄取到图像的部分呈现出黑色，我们称其为KERARE镜的用将折射率不同的各种硝材通过研磨工成高精度的曲面把这些镜头进行组合就是设计镜头从利略时代开始使用的遍技术是其基本原理得到更清晰的图像一在研究开发试制新的硝材和非球面镜片。焦距焦距是主点到成像面的距离个值决定了摄影范围的不同值小像距离主点近，是短焦距镜头这情况下的的角是广角可拍摄广大的场景相的主到成像面的距离远时、是长焦距镜头，画角变窄（望远）。镜头通光量镜头的明亮度与口径和焦距的变化有关。一般用F值表示镜头的明亮度，另外镜头里有用于调整亮度的光圈构件，可根据使用条件来调整通光量。镜头计算公式Y=f*tanθy：像的大小f焦距θ半画角-1*y/2f例：寸像机配12.5mm镜时画面向的视场面是：-1*6.4/2*12.5=28.72镜头的景深物体和镜头之间距离W.D）虽然变化，在前后一定范围内所成像仍然感觉清晰，这个距离范围补称为景深相的，对于确定的物平面，成像面和镜头之间的距离不同，但在一定的范围内图像仍感觉清晰，称为焦深。计算方式：景深=F*（1/βε容许弥散园参数2/3=0.02、1/2=0.015、1/3=0.01β率。工业镜头选择不同工业镜头的成像质量有着有着千差万别，就算是同一类型的工业镜头也是如此，这主要是由于材质工精度和镜片结构的不同等因素造成的时也导致不同档次的工业镜头镜头价格从几百元到几万元的巨大差异较名的如四片三组式天塞镜头片组式双高斯镜头。对于镜头设计及生产厂家，一般用光学传递函数OTF(OpticalTransfer来合评价镜头成像质量，光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息，光学系统在传递被摄景物信息时传递之各空间频率的正弦波信号调度和位相在成实际像时的变化，均为空间频率的函数，此函数称为光学传递函数般由调制传递函数MTF(ModulationTransferFunction)与位传递函数PTF(PhaseTransferFunction)两部分组成。像差是影响图像质量的重要方面，常见的像差有如下六种：球差由轴上某一物点向光学统发出的单色圆锥形光束该光学系列折射后若光束不同孔径角的各光线不交主轴上的同一位置至在主轴上的理想像平面处成一弥散光斑俗称模糊)则此光学系统的成像误差称为球差。慧差由于主轴外的某一轴外点光学系统发出的单色圆锥形光束经该光学系列折射后若理想像平面处不能结清晰点是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑此光学系统的成像误差称为慧差。像散由于主轴外的某一轴外点光学系统发出的斜射单色圆锥形光束经该光学系列折射后不结成一个清晰像而只能结成一弥散光斑此光学系统的成像误差称为像散。场曲垂直于主轴的平面物体经学系统所结成的清晰影像不在一垂直于主轴的像平面内而一以主轴为对称的弯曲表面上最佳像面为一曲面则光学系统的成像误差称为场曲。当调焦至画面中央处的影像清晰时，画面四周的影像模;当调焦至画面四周处的影像清晰时，画面中央处的影像又开始模糊。色差白色物体向光学系统发出一束白光学系统折射后色光不能会聚于一点上，而形成一彩色像斑为色差差生的原因是同一光学玻璃对不同波长的光线的折射率不同，短波光折射率大，长波光折射率小。畸变被物平面内的主轴外直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像差只影响影像几何形状而影响影像的清晰度这畸变与球差、慧差、像散、场曲之间的根本区别。在评价工业镜头质量时一般还会从分辨率、明锐度和景深等几个实用参数判断：分辨率Resolution)：称鉴别率、解像力，镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力，制约工业镜头分辨率的原因是光的衍射现象，即衍射光(爱里斑。分辨率的单位“线对毫米(lp/mm)。明锐度(：也称对比度，是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。景深：景物空间中，位于调焦物平面前后一定距离内的景物，还能够结成相对清晰的影像上述位于调焦物平面后的能结成相对清晰影像的景物间之纵深距离就是能在实际像平面上获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称为景深。最大相对孔径与光圈系数：相对孔径，是指该工业镜头的入射光孔直(D示)焦距用f表)之比，即：相对孔=D/f。对孔径的倒称为光圈系(aperture，称为制圈系数或光孔号码一镜头的相对孔径是可调节的最大相对孔径或光圈系数往往标示在工业镜头上如1:1.2或f/1.2如拍摄现场的光线较暗曝光时间很短，则需要尽量选择最大相对孔径较大的工业镜头。工业镜头各参数间的相互影响关系一支好的工业镜头在辨率明锐度景等方面都有很好的体现对种像差的校正也比较好但同时其价格也会几倍至上百倍的提高果我们掌握一些规律和经验就可以使用同档次的工业镜头达到更好的效果。1.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;2.光大小的影响情况光圈越大，图像亮度越高;光圈越大，景深越小;光圈越大，分辨率越;3.像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4.光长度的影响光源篇机器视觉系统中最关键的一个方面就是选择正确的照明视觉光源直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。所以我们说光源起到的作用：就是获得对比鲜明的图像。为什么要用光源？机器视觉系的核心是图像采集和处理有息均来源于图像之中像身的质量对整个视觉系统极为关键光则影响机器视觉系统图像水平的重要因素问它直接影响输入数据的质量和至少的应用效果通过适当的光源照明设计图中的目标信息与背景信息得到最佳分离以大降低图像处理算法分割、识别的难度时高系统的定位、测量精度系的可靠性和综合性能得到提高反之如光源设不当会致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源及光学系统设计的成败是决定系统成败的首要因素。在机器视觉系统中，光源的作用至少有以下几种：>.照亮目标，提高目标亮度>.形成最有利于图像处理的像效果；>.克服环境光干扰，保证图的稳定性；>.用作测量的工具或参照；由于没有通用的机器视觉照明设备对每个特定的应用实例计影的照明装置，以达到最佳效果。机器视觉系统的光源的价值也正在于此。图像的质量好坏，也就是看图像边缘是否的锐利，具体来说：将感兴趣部分和其他部分的灰度值差异加大尽量消隐不感兴趣部分提高信噪比，利于图像处理减少因材质、照射角度对成像的影响常用的有光卤素灯（光纤光源）、高频荧光灯。目前光源最常用，主要有如下几个特点：·制成各种形状、尺寸及各种照射角度；·根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度；·过散热装置，散热效果更好，光亮度更稳定；·用寿命长；·应快捷，可在10微或更短的时间内达到最大亮度；·源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快，可以用作频闪灯；·行成本低、寿命长的，在综合成本和性能方面体现出更大的优势；·根据客户的需要，进行特殊设计。LED光按状通可为下类:1、形光源环形光源提供不同照射角度不颜色组合更能突出物体的三维信息高度LED阵列，高亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，光线均匀扩散应领域:PCB基检测IC件检测显微镜照明液晶校正塑容器检测，集成电路印字检查2、背光源用高密度列面提供高强度背光照明，能突出物体的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。红白两用背光源蓝多用背光源，能调配出不同颜色足同被测物多色要求。应用领域机械零件尺寸的测量，电元件IC的外型检测，胶片污点检，透明物体划痕检测等。3、形光源条形光源是较大方形结构被测物的首选光源色根据需求搭配自由组合照射角度与安装随意可调。应用领域金属表面检查，图像扫描，表面裂缝检测LCD面检测等。4、同轴光源同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影而减少干扰部分采用分光镜设计减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。应用领:系列光源最适宜于反射度极高的物体，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测Mark点定位，包装条码识别。5、专光源不同角度的三色光照明照凸焊锡三维信息外加漫射板导光，减少反光；不同角度组合；应用领:用于电路板焊锡检。6、积分光具有积分效果的半球面内壁，均匀反射从底部度射的光线，使整个图像的照度十分均匀。应用领:于曲面，表面凹凸，弧形表面检测，或金属、玻璃表面反光较强的物体表面检测。7、形光源超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测场合。应用领阵相机照明专用，专。8、点光源大功率LED体积小，发光强度高；光纤卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等；高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。应用领:适合远心镜头使，用于芯片检测，Mark点定位