深眸分享--工业相机镜头的选型

2022-05-26




一、选相机

1、相机分辨率:根据对图像精度的要求来选择相机的分辨率


2.、案例分析          

2.1、 已知条件
待检测物体大小30mm*20mm
检测精度0.01mm
视野范围35mm*25mm
2.2.、计算
相机最小分辨率=(30/0.01)*(20/0.01=3000*2000=6000000=600 万像素;
相机分辨率至少为600万像素;
为减少边缘提取时像素偏移带来的误差,提高系统的精确度和稳定性,实际使用中一般用2-3个像素对应一个最小缺陷特征,则相机分辨率为600*3=1800万;
最终选用2000万像素相机(5472*3648)

                    



二、选镜头

1、镜头像面:为保证画面整体的可用性,选用镜头的像面尺寸应大于相机芯片的对角线(以下简称靶面),否则会出现边缘暗角/黑角等情况,影响使用;


2、镜头焦距

根据被摄物体的大小我们可以得到视野的大致范围,这里我们用光学放大倍率来表示;

公式:光学放大倍率=CCD相机元素尺寸/视野实际尺寸=CCD(V)或(H)尺寸/视场(V)或(H)尺寸=焦距/物距


3、案例分析

3.1、已知条件

视野范围:35mm*25mm

镜头前端距离被测物体的距离:100mm

选用相机:2000万像素(分辨率5472*3648,像元尺寸2.4 µm×2.4 µm)

3.2、计算

(1)CCD长宽尺寸:

CCD长度=5472*2.4/1000=13.1328mm

CCD宽度=3648*2.4/1000=8.7552mm

(2)计算光学放大倍率:

光学放大倍率=CCD(V)/视场(V)=13.1328/35=0.375倍

(3)计算焦距:

焦距=物距*光学放大倍数=100*0.375=37.5mm

常用的焦距有:8、12、16、25、35、50、75等,所以选择35mm焦距

(4)计算实际光学放大倍数、视野长度、视野高度:

实际光学放大倍数=焦距/物距=35/100=0.35倍

实际视野长度=CCD长度/实际光学放大倍数=13.1328/0.35=37.5mm

实际视野宽度=CCD宽度/实际光学放大倍数=8.7552/0.35=25.01mm

(5)计算单像素精度

单像素精度=视野长度/CCD长方向有效像素个数=35.7/5472=0.0065mm

最终确定选型:35mm焦距镜头、搭配2000万像素相机,物距100mm情况下可以达到37.5mm×25.01mm的视野,单像素精度0.0065mm。




三、相机镜头常用资源查询

1、工业相机术语

1.1、芯片尺寸

芯片尺寸与分辨率是对应的,如500w像素相机2.2um像元为1/2.5,3.45um像元为2/3,4.8um像元为1英寸

芯片尺寸=像元尺寸*分辨率

1.2、精度

单位像素所代表的实际视野,数值越小精度越高

精度=视野/分辨率

1.3、拖影

一次曝光里,物体移动超过一个像素,图像上就会产生拖影,因此可以计算出产生拖影的临界曝光时间。

曝光时间<=精度/运动速度

需要拍摄的理论精度0.1mm/pix,运动速度为0.1m/s的物体,最大曝光时间为

0.1/100=0.001s=1ms=1000us

1.4、相机的选型

1.4.1、分辨率

客户提供需要的精度与视野大小32mm*24mm,精度要求0.01mm

分辨率(L/W)=视野(L/W)➗精度

需要的相机分辨率为640*480=307200=30w像素的相机

1.4.2、颜色

通常视觉中我们选择黑白相机,只有需要彩色图像时才会考虑彩色相机,因为机器视觉中黑白图像算法比较多,黑白相机使用光源成像质量比彩色相机复合白光质量要好

1.4.3、传感器类型

拍摄目标静态,为了节约成本优先考虑cmos相机,运动拍摄(飞拍)则优先考虑CCD相机。

1.4.4、传感器尺寸

在分辨率足够的情况下,优先使用尺寸大的像元,但同时需要考虑靶面大小,通常靶面越大,相机和镜头的价格越高。

1.4.5、相机镜头接口

一般相机都是C/CS接口,需要考虑与镜头的对接。如果有其他接口的镜头,需要考虑相机的接口。

1.4.6、相机输出接口

同等价位像素条件下优先选择实际输出速度快的接口类型。

CameraLink>USB3.0>GigE>1394>USB2.0


2、工业镜头术语

2.1、焦距

镜头焦距是光学系统中横梁光的聚集或发散的度量方式,指从透镜中心到光聚集之焦点的距离。

镜头焦距的大小决定着视场角的大小,拍摄的工作距离,成像视野大小和景深大小。

常用的焦距有8、12、16、25、35、50等

2.2、光圈

一个用来控制光线透过镜头,进入相机感光面的装置。相对孔径一般刻在镜头上,如1:2.8和1:4等

2.3、分辨率

分辨率是代表镜头记录物体细节的能力,常以每毫米里面能分别黑白线对数量为计量单位:线对/毫米(lp/mm)

2.4、放大倍数

放大倍数定义为图像的大小与物体大小之比,在一个视场,成像大小铺满整个芯片,即:放大倍数=芯片尺寸/视野=像元尺寸/精度

2.5、最小工作距离

镜头能够对焦清晰的最小工作距离。

2.6、景深

在对焦清晰的平面前后,存在一段仍然能够清晰成像的距离,成为景深。

通俗来讲再聚焦完成后,在焦点前后范围内都能够形成清晰的图像,这前后的距离范围叫景深。

2.7、畸变

镜头在成像时,特别是用焦距短的镜头拍摄大视场,图像会产生变形,这种情况叫做镜头的畸变。拍摄场景越大,所用镜头焦距越短,畸变程度越明显。

2.8、焦距计算

镜头焦距:焦距f=WD*(芯片尺寸长边/FOV长边)

注意:当视野长宽比<芯片的长宽比时,需要用短边计算

2.9、远心镜头

放大倍率=芯片尺寸长边/FOV长边

注意:当视野长宽比<芯片的长宽比时,需要用短边计算


3、镜头参数间相互影响关系

3.1、焦距大小的影响情况

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,使像差边缘照度降低。

3.2、像场中央与边缘

一般像场中心较边缘分辨率高;

一般像场中心较边缘广场找亮度高。

3.3、光圈大小的影响情况

光圈越大,图像亮度越高;

光圈越大,景深越小;

光圈越大,分辨率越高;

光圈越大,渐晕现场越严重,光场照度越不均匀。

3.4、光源波长的影响

在相同相机镜头参数条件下,光源波长越短,得到的图像分辨能力越高。所用需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中,尽量采用短波的单色光作为照明光源,可以提高系统精度。




四、工业相机的选择要点

1、视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离: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,有利于运动控制。

2、景深要求:对于景深有要求的项目,尽可能使用小光圈;在选择放大倍率的镜头时,在项目许可下尽可能选用低倍率镜头;如果项目要求比较苛刻时,倾向选择高景深的尖端镜头。

3、芯片大小和相机接口:例如2/3镜头支持最大的工业相机靶面为2/3,它是不能支持1英寸以上的工业相机。

4、与光源的配合,选配合适镜头。

5、可安装空间:有方案可选择情况下,让客户更改设备尺寸是不现实的。


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