相机镜头原理及其选型.docx
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相机镜头原理及其选型
相机、镜头原理及其选型
1.凸透镜成像原理
图1
注:
相机镜头中的焦距为:
凸透镜焦点到成像平面的距离
图2
2.相机原理
相机成像实际就是凸透镜成像,拍摄物体反射光经镜头(凸透镜)聚焦,在感光系统上形成倒立缩小的像,像经进一步处理得到相片或数码图像。
3.相机相关概念
CCD(Charge-coupledDevice,电荷耦合元件)
CCD是图像传感器,将光信号转换成电信号,再将电信号转换成数字信号,经处理后成为图像信号。
结构:
(1)、大量光敏元件排在一起组成感光元件(每个光敏元件为一个像素点)。
(2)、并行信号寄存器,用于暂时储存感光后产生的电荷。
(3)、串行信号寄存器,暂时储存并行寄存器的模拟信号并将电荷转移放大。
(4)、信号放大器,放大微弱电信号。
(5)、数摸转换器,将放大的电信号转换。
目前工业相机主要CCD尺寸
CMOS
和CCD一样,是图像传感器。
区别在于:
(1)、信号的读出过程不同,CCD是通过一个或几个节点统一读出像素,CMOS通过单个像素同时读取,因此一致性CCD更好。
(2)、集成性CCD更复杂
(3)、CMOS读取速度更快。
(4)、CCD技术更成熟,噪声少,成像质量更好。
像素
相机感光元件上每个光敏元件即为一个像素点。
注:
要想得到高清照片,必须保证有一定的像素数。
但并非像素数越大,照片的就越清晰。
照片的清晰度是由“点像"决定,即每点(寸等)有多少像素。
通常相机的像素大小又被叫做相机分辨率。
感光度(IOS)、增益(Gain)
(1)、感光度:
为数码单反相机的参数之一,表示图像传感器或胶片对光的敏感程度,增加感光度,图像更亮,但画质变差。
(2)、增益:
为工业相机参数之一,是调节感光度的一种方法。
增益增加,图像更亮,但画质变差。
(3)、感光度和增益的区别为:
一:
适用对象不同,感光度常用于数码单反相机,而增益用于工业相机;二:
提高感光度可通过多种方式获得,而提高增益恰是提高感光度的一种方式。
帧率
相机采集传输图像的速率,对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.),对于线阵相机为每秒采集的行数(Hz)。
4.镜头相关概念
焦距
成像光线在镜头内交点到影像传感器的距离称作焦距,焦距数值小,视角大;焦距数值大,视角小。
蓝色光线所表示的焦距相对红色变大,其视角则变小。
光圈
光圈:
由叶片组成的用于控制光通过量的装置。
绝对孔径:
光圈的实际孔径大小。
曝光量:
除去外部环境因素,曝光量与曝光度和曝光时间成正比。
曝光时间由快门决定,而曝光度与光圈的绝对孔径和镜头焦距成正比。
相对孔径:
为了反映曝光度,将孔径与焦距的比值定义为相对孔径。
光圈值(f):
为焦距与绝对孔径的比值,即相对孔径的倒数。
较大的光圈(较小的f值)意味着有更多光线通过镜头,可在弱光环境中拍摄。
快门
通过控制曝光时间控制曝光量的装置。
快门分机械快门和电子快门。
机械快门:
通过机械方式控制通光孔(快门)的开闭。
电子快门:
利用了CCD感光系统不通电不工作的原理。
景深
(1)、拍摄景物中能产生较为清晰影像的最近点至最远点的距离。
(2)、景深与光圈的关系(进一步说明景深)
注:
弥散圆:
物点成像时,由于像差,其成像光束不能会聚于一点,而是在像平面上形成一个扩散的圆形投影,成为弥散圆。
弥散圆只要在人眼接受范围内,就算清晰的像。
由上图可知,当使用小光圈时,在更大的景深范围内依然形成满足清晰要求的弥散圆。
因此,小光圈(更大f值),景深更大。
分辨率
在成像平面上1毫米间距内能清晰分辨的黑白相间的线条对数,单位是“线对/毫米”(lp/mm,line-pairs/mm)。
测试方法:
将待测镜头装在一个胶片照相机上。
去拍摄黑白条纹图(分辨率图版),然后用高倍放大镜(镜头分辨率检测仪)检测底片上每毫米范围内能清晰分辨的线条对数,能分辨得越多则分辨率越高。
注:
镜头分辨率和相机分辨率配合,才能排出高质量图像。
视场(Fieldofview,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。
工作距离(WorkingDistance,即WD)
指清晰成像时,从镜头前部到受检验物体的距离。
失真(distortion)
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。
畸变透镜的固有特性(凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线),所以无法消除,只能改善。
工业上对畸变要求高的场合可选用远心镜头。
镜头类型
标准、远心、广角、近摄、远摄。
5.工业相机及镜头选型说明
选择相机感光芯片尺寸
(1)、原则一:
相机像素大小(分辨率)≧所需相机像素大小
(2)、原则二:
镜头可支持的最大感光芯片尺寸≧相机芯片尺寸
(3)、原则三:
静止拍照、全局曝光选CMOS;运动拍照选CCD。
选择相机与镜头接口类型
波长、变焦与否
成像过程中需要改变放大倍率的应用,采用变焦镜头,否则采用定焦镜头。
工业相机镜头的工作波长,可考虑:
是否采用可见光波段;是否采取滤光措施;单色光还是多色光;能否有效避开杂散光的影响?
镜头工作距离与焦距
一般地:
结合CCD像素尺寸、工作距离,视角大小可计算工业相机镜头的焦距。
选择光圈
镜头的光圈大小决定图像的亮度,在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中,应该选用大光圈镜头,以提高图像亮度。
特殊要求优先考虑
结合实际的应用特点,可能会有特殊的要求。
例如是否有测量功能,是否需要使用远心镜头,成像的景深是否很大等等。
成本和技术成熟度
如果以上因素考虑完之后有多项方案都能满足要求,则可以考虑成本和技术成熟度,进行权衡择优选取。
6.相机镜头选型示例
例一:
同时选择相机和镜头
例二:
已知相机选择镜头
要给硬币检测成像系统选配工业相机镜头,约束条件:
相机CCD2/3英寸,像素尺寸4.65μm,C口。
工作距离大于200mm,系统分辨率0.05mm。
光源采用白色LED光源。
(1)、CCD尺寸2/3,所选镜头支持像面应该不小于2/3CCD尺寸。
(2)、接口类型C口。
(3)、与白色LED光源配合使用,镜头应该是可见光波段。
没有变焦要求,选择定焦镜头。
(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)、用于工业检测,其中带有测量功能,所以所选镜头的畸变要求小。
从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的“轮廓”:
焦距大于17mm,定焦,可见光波段,C口,至少能配合2/3英寸CCD使用,而且成像畸变要小。
按照这些要求,可以进一步的挑选,如果多款镜头都能符合这些要求,可以择优选用。
例三:
已知镜头选择相机
(1)、确定像素大小,进而确定感光芯片尺寸。
(2)、确定接口。
(3)、确定相机类型:
线阵还是面阵。
7.其他重要概念
远心镜头
(1)、概念
通过在光学系统的中间位置放置孔径光阑以及设计平行光路,使得在一定的物距范围内,图像放大倍率不会随物距的变化而变化。
(2)、应用
远心镜头主要解决的问题是:
物体位置变化引起比例尺改变;畸变;投影误差;物体边缘测量误差大。
在工业图像处理中,一般只使用物方远心镜头。
偶尔也有使用两侧远心镜头的,(当然价格更高),像方远心镜头一般来说不会用。
主要实际应用:
机械零件量测;塑料零件量测;玻璃及药用容器量测;电子组件量测;粒子量测;量测高精度彩色打印;半导;过滤器控制;血液分析及细胞数量计算等。
(3)、原理及分类
物方远心光路设计原理及作用:
平行于光轴的物方光线的会聚中心位于像方无限远,称之为:
物方远心光路。
将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上,当孔径光阑放在像方焦平面上时,即使物距发生改变,像距也发生改变,但测得的物体尺寸不会变化。
其作用为:
可以消除物方由于调焦不准确带来的,读数误差。
像方远心光路设计原理及作用:
平行于光轴的像方光线的会聚中心位于物方无限远,称之为:
像方远心光路。
在物方焦平面上放置孔径光阑,使像方主光线平行于光轴,从而虽然CCD芯片的安装位置有改变,在CCD芯片上投影成像大小不变。
其作用为:
可以消除像方调焦不准引入的测量误差。
两侧远心光路设计原理及作用:
综合了物方/像方远心的双重作用。
主要用于视觉测量检测领域。
(4)、选型说明
当检查物体遇到以下6中情况时,最好选用远心镜头:
1)当需要检测有厚度的物体时(厚度>1/10FOV直径);
2)需要检测不在同一平面的物体时;
3)当不清楚物体到镜头的距离究竟是多少时;
4)当需要检测带孔径、三维的物体时;
5)当需要低畸变、图像效果亮度几乎完全一致时;
6)当缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到时。
根据使用情况(物体尺寸和需要的分辨率)选择物方尺寸合适的物方镜头和CCD或CMOS相机,同时得到像方尺寸,即可计算出放大倍率,然后根据产品列表选择合适的像方镜头。
选择过程中还应注意景深指标的影响,因为像/物倍率越大景深越小,为了得到合适的景深,可能还需要重新选择镜头。
面阵相机、线阵相机
(1)、面阵相机
相机感光元件以矩阵排列,可直接获取二维图像信息,测量图像直观。
主要用于面积、形状、尺寸、位置,甚至温度等的测量。
优点:
可获取二维图像信息,测量图像直观。
缺点:
像元总数多;每行的像元数一般较线阵少,帧幅率受到限制。
(2)、线阵相机
相机感光元件以线的方式排列,应用领域是检测连续运动的材料,例如金属、塑料、纸和纤维等。
优点:
一维像元数可以做得很多,而总像元数较面阵CCD相机少;像元尺寸比较灵活,帧幅数高,特别适用于一维动态目标的测量;线阵CCD分辨力高,价格低廉,可满足大多数测量视场的要求。
不足:
图像获取时间长,测量效率低;由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在,增加了系统复杂性和成本;图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低,最终影响测量精度。
(3)、线阵相机选用说明
计算像素:
幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素
实际检测精度:
幅宽除以像素数得出实际检测精度
行频:
长度除以精度得出每秒扫描行数
如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速度22000mm/s
相机像素:
1600/1=1600像素最少2000像素,选定为2k相机