工业相机及镜头的简单全面介绍

工业相机

工业相机是怎么分类的？
1、按照芯片结构分类：CCD工业相机& CMOS 工业相机
2、按照传感器结构分：面阵工业相机 & 线阵工业相机
3、按照输出模式分类：模拟工业相机 & 数字工业相机
4、按照出图的颜色分类：彩色工业相机&黑白工业相机

工业相机需要与图像采集卡匹配哪些才能正常使用？
工业相机需要与图像采集卡匹配好才能正常使用，一般需要匹配以下几个：
1、视频信号的匹配，对于黑白模拟信号相机来说有两种格式，CCIR和RS170（EIA），通常采集卡都同时支持这两种工业相机；
2、分辨率的匹配，每款板卡都只支持某一分辨率范围内的相机；
3、特殊功能的匹配，如要是用相机的特殊功能，先确定所用板卡是否支持此功能，比如，要多部相机同时拍照，这个采集卡就必须支持多通道，如果相机是逐行扫描的，那么采集卡就必须支持逐行扫描；
4、接口的匹配，确定相机与板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、Firewire1394 等。

一. 相机的芯片类型：
一般情况下，工业相机按照芯片类型可以分为CCD相机和CMOS相机，当然也有一些其他的芯片，比如富士公司生产的Super CCD芯片。这里我们只讨论市场主流的CCD相机和CMOS相机的工作原理。数码相机的CCD和CMOS都深藏于相机内部，就算您有机会看到它们的样子，也很难进行区分。

1、要拍摄的对象正在移动，并且要处理的对象也是实时移动的对象，那么选择CCD芯片的工业相机是最合适的。但是，如果使用是帧曝光方式，那么某些制造商的CMOS也可以用作CCD。虽然它是CMOS芯片，但在拍摄移动物体时它绝不会比CCD差。

2、物体的速度非常慢，则在我们设定的相机曝光时间范围内物体移动的距离很小，并且将其转换为像素尺寸。在一个或两个像素内，CMOS相机也是合适的。因为在曝光时间内，人眼看不到一个或两个像素的偏差（如果它不用于测量），但是超过2个像素的偏差，物体拍摄的图像有污点，所以你不能选择CMOS相机不见了。

二. CCD芯片的尺寸表:
1.1英寸——靶面尺寸为宽12mm高12mm，对角线17mm
1英寸 ——靶面尺寸为宽12.7mm高9.6mm，对角线16mm
2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm高6.6mm，对角线11mm
1/1.8英寸——靶面尺寸为宽7.2mm高5.4mm，对角线9mm
1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm高4.8mm，对角线8mm
1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm高3.6mm，对角线6mm
1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm

三. 相机接口类型：
GIGE千兆网接口：
千兆网协议稳定，该接口的工业相机是近几年市场应用的重点。使用方便，连接到千兆网卡上，即能正常工作。
在千兆网卡的属性中，也有与1394中的Packet Size类似的巨帧。设置好此参数，可以达到更理想的效果。
传输距离远，可传输100米。可多台同时使用，CPU占用率小。

USB2.0接口：
所有电脑都配置有USB2.0接口，方便连接，不需要采集卡。
USB2.0接口的相机，是最早应用的数字接口之一，开发周期短，成本低廉，是目前最为普通的类型，缺点是其传输速率较慢，理论速度只有480Mb（60MB）。
在传输过程中CPU参与管理，占用及消耗资源较大。USB2.0接口不稳定，相机通常没有坚固螺丝，因此在经常运动的设备上，可能会有松动的危险。传输距离近，信号容易衰减。

USB3.0接口：
USB 3.0的设计在USB 2.0的基础上新增了两组数据总线，为了保证向下兼容，USB 3.0保留了USB 2.0的一组传输总线。
在传输协议方面，USB 3.0除了支持传统的BOT协议，新增了USB Attached SCSI Protocol (USAP)，可以完全发挥出5Gbps的高速带宽优势。
由于总线标准是近几年才发布，所以协议的稳定性同样让人担心。传输距离问题，依然没有得到解决。

Camera Link接口：
需要单独的Camera Link接口，不便携，导致成本过高。传输速度是目前的工业相机中最快的一种总线类型。
一般用于高分辨率高速面阵相机，或者是线阵相机上。
传输距离近，可传输距离为10米。

1394（火线）：
1394接口，在工业领域中，应用还是非常广泛的。协议、编码方式都非常不错，传输速度也比较稳定，只不过由于早期苹果的垄断，造成其没有被广泛应用。
1394接口，特别是1394B口，都有坚固的螺丝。1394接口不太方便的地方是其未能普及，因此电脑上通常不包含其接口，因此需要额外的采集卡，传输距离仅为4.5米。
占用CPU资源少，可多台同时使用，但由于接口的普及率不高，已慢慢被市场淘汰。

四. 线阵和面阵相机：
面阵：
上面我们所说的相机均属于面阵相机，相机像素是指这个相机总共有多少个感光晶片，通常用万个为单位表示，以矩阵排列，例如3百万像素、2百万像素、百万像素、40万像素。百万像素相机的像素矩阵为WH=10001000。相机分辨率，指一个像素表示实际物体的大小，用um*um表示。数值越小，分辨率越高。

线阵：
线阵相机是一类特殊的视觉机器。与面阵相机相比，它的传感器只有一行感光元素，因此使高扫描频率和高分辨率成为可能。线阵相机的典型应用领域是检测连续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等。被检测的物体通常匀速运动 , 利用一台或多台相机对其逐行连续扫描 , 以达到对其整个表面均匀检测。可以对其图象一行一行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图象进行处理。另外线阵相机非常适合测量场合，这要归功于传感器的高分辨率。

线阵工业相机与面阵工业相机的区别在哪里？
线阵CCD 工业相机主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理。在机器视觉领域中，线阵工业相机是一类特殊的视觉机器。与面阵工业相机相比，它的传感器只有一行感光元素，因此使高扫描频率和高分辨率成为可能。线阵工业相机的典型应用领域是检测连续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等。被检测的物体通常匀速运动 , 利用一台或多台工业相机对其逐行连续扫描 , 以达到对其整个表面均匀检测。可以对其图像逐行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图像进行处理。另外线阵工业相机非常适合测量场合，这要归功于传感器的高分辨率 , 它可以准确测量到微米。对于面阵CCD 来说，应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵CCD 的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制，而线阵CCD 的优点是一维像元数可以做得很多，而总像元数角较面阵CCD 工业相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态目标的测量。

五. 相机常见参数介绍：

分辨率（Resolution）：相机每次采集图像的像素点数（Pixels），对于工业数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于工业数字模拟相机则是取决于视频制式，PAL制为768576，NTSC制为640480。
像素深度（Pixel Depth）：即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于工业数字数字相机一般还会有10Bit、12Bit等。
最大帧率（Frame Rate）/行频（Line Rate）：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.），对于线阵相机机为每秒采集的行数（Hz）。
曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）：对于工业线阵相机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，工业数字相机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速相机还可以更快。
像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。目前工业数字相机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。
什么是工业相机像元尺寸？
像元尺寸指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um,9um , 7um ,6.45um ,3.75um 等。像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。
光谱响应特性（Spectral Range）：是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm－1000nm，一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。工业镜头的九大参数
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和数字相机。模拟相机（PCI采集卡）对速度，精度要求不高可选择。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。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。

工业镜头的参数
8.工作距离（Working Distance,即WD）
工作距离指的是镜头的最下端到景物之间的距离。一般的镜头是可以看到无限远的，也就是说是没有上限的。
我们需要注意的是“最小工作距离”在镜头上有两个有刻度的调节圈，一个是调节光圈的，另一个是调焦的，在调焦的刻度圈上标有此镜头的工作距离从最近到最远是多少。

视场（Field of view, 即FOV，也叫视野范围）
视野指的是镜头能看到的最大范围，也就是镜头所能覆盖的有效工作区域。
景深(Depth of view，即DOF)
景深与视野相似，不同的是景深指的是纵深的范围，视野指的是横向的范围。
焦距（focal length）
要了解焦距首先要知道成像面，那成像面又是什么呢？成像面是入射光通过镜头后所成像的平面，这个面是一个圆形。
焦距就是镜头到成像面的距离，比如：50mm镜头，8mm镜头还是75mm镜头等。这些名成立的数字指的就是镜头到成像面的距离，也就是焦距。单位是毫米。
焦距是从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离。焦距的大小决定着视角的大小，焦距数值小，视角大，所观察的范围也大；焦距数值大，视角小，观察范围小。根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。
视角（visual angle）
视角顾名思义就是视线的角度，也就是镜头能看多“宽”。
以上是镜头常见的一些参数，这些参数之间都是相互关联的，关系是：（1）焦距越小，视角越大；（2）最小工作距离越短，视野越大。对于普通的镜头来说，选择原则是：工作距离越近越好，镜头的畸变越小越好，视野越大越好。
光圈：（Iris）
光圈是一个用来控制光线透过镜头进入机身内感光面光量的装置，在拍摄高速运动物体时候，由于曝光时间短，需要使用大光圈。
光圈大小一般用F表示，以镜头焦距f和通光孔径直径D的比值来衡量，当光圈物理孔径不变时，镜头中心与感光器件距离越远，F值越大，光圈越小；反之，F值越小，光圈越大。一般通过调整通光孔径大小来调节光圈，完整的光圈数值系列如下：F1，F1.4，F2，F2.8，F4，F5.6，F8，F11，F16，F22，F32，F44，F64。
镜头畸变
镜头在成像时，特别是用短焦距镜头拍摄大视场，图像会产生形变，这种情况叫做镜头的畸变，这是由于镜头的光学结构和成像特性导致的，原因是由于视野中局部放大倍数不一致造成的图像扭曲。
拍摄的视场越大，所用的镜头的焦距越短，畸变的程度就越明显，一般有桶型畸变和枕型畸变两种，可以通过图像标定减弱这种平面畸变的影响。
最大兼容CCD尺寸
所有镜头都只能在一定的范围内清晰成像，最大兼容CCD尺寸是指镜头能支持的最大清晰成像的范围。在实践选择相机和镜头时，要注意所选择的镜头的最大兼容CCD尺寸要大于或等于相机芯片的尺寸。
接口(Mount)　　
镜头与相机的连接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。
光学放大倍数(Magnification,ß) 　　//这个一般对于远心镜头比较重要，就是相机当作显微镜时，其放大倍数越大越好。
CCD/FOV，即芯片尺寸除以视野范围。
后背焦(Flangedistance) 　　
准确来说，后倍焦是相机的一个参数，指相机接口平面到芯片的距离。但在线扫描镜头或者大面阵相机的镜头选型时，后倍焦是一个非常重要的参数，因为它直接影响镜头的配置。不同厂家的相机，哪怕接口一样也可能有不同的后倍焦。

六、镜头选型　　
1.选择镜头光圈

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。

2.选择远心镜头

远心镜头是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化。远心镜头与传统镜头对比，如图：　
在这里插入图片描述
远心镜头又分为物方远心和双侧远心两种，如图：

3. 选择光源的角度

根据期望的图像效果，选择不同入射角度的光源。高角度照射，图像整体较亮，适合表面不反光物体；低角度照射，图像背景为黑，特征为白，可以突出被测物轮廓及表面凹凸变化；多角度照射，图像整体效果较柔和，适合曲面物体检测；背光照射，图像效果为黑白分明的被测物轮廓，常用于尺寸测量；同轴光照射，图像效果为明亮背景上的黑色特征，用于反光厉害的平面物体检测。不同角度光源的示意图如下：
在这里插入图片描述
4. 选择光源的颜色

考虑光源颜色和背景颜色，使用与被测物同色系的光会使图像变亮(如：红光使红色物体更亮)；使用与被测物相反色系的光会使图像变暗(如：红光使蓝色物体更暗)
在这里插入图片描述
不同颜色光源效果示例：

波长越长，穿透能力越强；波长越短，扩散能力越强。红外的穿透能力强，适合检测透光性差的物体，如棕色口服液杂质检测。紫外对表面的细微特征敏感，适合检测对比不够明显的地方，如食用油瓶上的文字检测。