机器视觉相机镜头选型和应用共24页

机器视觉硬件选型一、光源选型光源主要有两种作用。

第一：使被观察的特征与背景之间产生最大的对比度，从而让特征突出、易于区分；第二：是保持足够的亮度，排除外界光的干扰，保证取图的稳定性。

选择光源时考虑以下两方：光源的颜色：物体呈现某种颜色，是因为其反射了对应的光谱。

拍摄物体时若想将某种颜色变成白色，就使用与该颜色相同或相似的光源（波长相同或接近）；若想拍成黑色，就使用与目标颜色波长差较大的光源。

假如背景为蓝色，检测器械为白色，需要把背景拍成黑色，所以选择红色光源。

红色LED不但寿命长、性能稳定、价格低廉，而且更重要的是其波长更接近传感器的灵敏度峰值。

光源的形状：机器视觉常用的光源有环形光源、条形光源、背光源、同轴光源等，考虑到机构安装的方便性和光照需要均匀照射。

二、相机选型工业相机按成像色彩划分可分为黑白相机和彩色相机；按扫描方式可分为线阵相机和面阵相机；按芯片类型可分为CCD相机和CMOS 相机等。

相机选型首先应该根据项目需求，确定如下几个问题：确定检测产品的精度要求；确定相机要看的视野大小；确定被检测物体的速度；确定是动态检测还是静态检测。

其次是确定相机硬件类型，选择相机数据传输接口：1394、Gige(千兆网）、USB，camera link。

再根据与镜头的搭配，选择合适的相机芯片尺寸（镜头的最大兼容芯片尺寸大于等于相机的芯片尺寸）和与镜头的接口类型（C或CS）。

视觉系统硬件的误差不可避免，一般都保证在1~2个像素之间的误差，所以通过计算公式：精度=视野（长或宽）÷相机像素（长或宽）。

例如假设视野为100×60，精度要求0.1，考虑到硬件误差，一般选型时把精度做到0.05，那么相机长边的像素=100÷0.05=2000，短边像素60÷0.05=1200，因此只需要理论分辨率大于或等于2000×1200像素的相机，就可以满足需求。

三、镜头的选型是否需要用远心镜头？在精密尺寸测量时，一般考虑远心镜头。

工业相机镜头地全参数与选型工业相机镜头是工业自动化领域中重要的设备之一，广泛应用于机器视觉、智能检测、无损检测等领域。

在选购工业相机镜头时，需要考虑到相机的应用环境、被测物体的特性以及相机镜头的参数。

本文将介绍工业相机镜头的全参数并进行选型分析。

一、工业相机镜头的全参数1.焦距(Focal Length)：焦距是镜头将光线聚焦的能力。

不同的焦距会影响镜头的视角和放大倍数。

一般来说，较长焦距的镜头具有较大的放大倍数和较小的视角，适合远距离拍摄；较短焦距的镜头具有较小的放大倍数和较大的视角，适合近距离大范围拍摄。

2.镜头结构(Lens Structure)：镜头的结构包括透镜的数量和排列方式。

常见的结构有单透镜结构、双透镜结构、复合透镜结构等。

不同的结构会影响成像质量、畸变程度和成本。

3.光圈(Aperture)：光圈控制着进入相机的光线量，它是一个由多个薄片组成的机械装置。

可以通过调节光圈的大小来控制曝光量和景深。

较大的光圈适合拍摄光线较暗的场景，提高曝光量；较小的光圈适合拍摄光线较亮的场景，提高景深。

4.最小对焦距离(Minimum Focus Distance)：最小对焦距离是指物体与镜头的最小距离，也是相机能够聚焦的最小距离。

镜头的最小对焦距离直接影响镜头的应用范围，较小的最小对焦距离适合拍摄微小物体，较大的最小对焦距离适合拍摄大型物体。

5.最大光学放大倍率(Maximum Optical Magnification)：最大光学放大倍率是镜头能够放大物体的倍数。

较大的光学放大倍率可以提高图像的清晰度和细节，适合拍摄对细节要求较高的场景。

6.视场角(Field of View)：视场角是指从相机镜头看到的场景范围。

它受到镜头焦距、相机感光元件尺寸和被测物体距离的影响。

一般来说，较长焦距的镜头具有较小的视场角，较短焦距的镜头具有较大的视场角。

7.图像传感器尺寸(Image Sensor Size): 图像传感器尺寸是指相机感光元件的尺寸。

镜头选型方法一、确定检测范围根据检测对象确定视场范围，如长度L和宽度W。

二、确定相机选型1. 根据检测精度的要求，计算出所需的相机分辨率，即Sensor的像素数M*N，然后选择合适的 举例：检测100mm*100mm的范围，要求精度达到0.05mm，则所需像素至少要达到(100/0.05) 可以选用2590*2048或3072*2048的相机；2. 确定相机选型后，得出Sensor成像面尺寸H*V，可通过相机参数查询，也可根据以下公式计H=M*像元尺寸,V=N*像元尺寸 其中，像元尺寸可从sensor参数中查询3. 确定相机选型后，计算成像系统的放大率β=目标成像尺寸/目标实际尺寸=Sensor尺寸/对应视场大小举例：采用200W相机，Sensor水平尺寸H=9.216mm，对应检测长度L=100mm，则系统放大率 β=H/L=0.092三、镜头选刑1. 确定镜头像面规格及分辨率：(1) 镜头成像面应不小于Sensor成像面尺寸，否则可能会出现黑边或暗角。

如搭配1/1.8"相机(2) 镜头成像面不宜大于Sensor尺寸太多，否则可能会导致镜头清晰度不高或价格过高或外形(3) 镜头分辨力一般不低于Sensor分辨率要求，如1/1.8" 600W相机搭配2/3" 2MP镜头时清晰度2. 根据视场范围、Sensor尺寸和工作距离估算镜头焦距f：若工作距离为D，则镜头焦距可按以下公式进行估算：f=β*D举例：若系统成像放大率β=0.092,工作距离D=200mm，则镜头焦距约为f=0.092*200mm=19.4mm；此时选择1 则实际放大率β=f/D=0.08；若要保证原来0.092mm的放大率，可将工作距离调整为D=16/0.092=173m合适的相机型号0.05)*(100/0.05)=2000*2000，公式计算：92*200mm=19.4mm；此时选择16mm镜头，作距离调整为D=16/0.092=173mm清晰度可能较差；nsor尺寸/对应视场大小则系统放大率 β=H/L=0.092"相机可选用1/1.8"或2/3"的镜头；或外形尺寸过大等问题；。

工业相机与镜头选型方法（含实例）一、根据应用需求选型工业相机与镜头的选型首先要根据实际应用需求来确定。

应该明确拍摄的对象、需要的图像质量、成像速度等方面的要求。

例如，是否需要高分辨率的图像、是否需要高速连续拍摄、是否需要逆光环境下的高动态范围等等。

根据这些需求，可以确定所需要的传感器规格和镜头类型。

二、根据传感器规格选型传感器规格是工业相机选型的重要依据之一、传感器的大小直接影响到成像的角度、分辨率和噪声水平。

常见的传感器规格有1/2.3英寸、1/1.8英寸、2/3英寸、1英寸以及APS-C和全画幅等。

一般而言，传感器越大，成像角度越大，分辨率越高，噪声水平越低。

根据应用需求，选择合适的传感器规格。

实例一：如果应用需求是需要拍摄大范围场景，例如工业检测、机器视觉等，可以选择传感器规格较小的相机，例如1/2.3英寸传感器。

实例二：如果应用需求是需要高分辨率的图像，例如精细检测、高精度测量等，可以选择传感器规格较大的相机，例如APS-C或全画幅传感器。

三、根据镜头类型选型根据传感器规格确定之后，接下来要选择合适的镜头类型。

工业相机通常有固定焦距镜头、变焦镜头和特殊用途镜头等类型。

固定焦距镜头一般适合需要固定场景的拍摄，一般具有较高的分辨率和较低的畸变等特点。

变焦镜头适用于需要不同焦距的应用，具有变焦范围广、灵活性高的特点。

特殊用途镜头适用于特殊的应用场景，例如近距离测量、显微镜观察等。

实例三：如果应用场景需要拍摄不同物体的细节，例如高精度检测、PCB检测等，可以选择具有高分辨率和低畸变的固定焦距镜头。

实例四：如果应用场景需要拍摄不同距离的对象，例如检测机器人、机器视觉等，可以选择具有变焦范围广的变焦镜头。

四、根据镜头参数选型在确定镜头类型之后，还需要根据具体应用的需求选择合适的镜头参数，包括焦距、光圈和视场角等。

焦距是指镜头的焦距长度，影响到成像的角度和视场大小。

一般而言，焦距较短的镜头可以拍摄宽广的场景，焦距较长的镜头可以拍摄较小的视场。

机器视觉硬件选型及应用案例烟台致瑞图像技术有限公司高志伟机器视觉典型结构机器视觉技术核心输出特征提取预处理采集图像机器视觉技术主要包括图像采集和图像处理两个过程，整体以图像为中心展开，如何得到一副好的图像，是关乎整个系统成败的关键。

图像采集器件选择相机•分辨率•感光性能•其它镜头•视野•畸变•分辨率•其它光源•成像效果•空间限制•其它配件•滤光•偏振•转向•……相机选型1.根据项目精度要求，确定相机分辨率；2.考虑相机帧率是否满足要求；3.根据项目情况选择合适的数据传输接口；4.确定使用黑白相机还是彩色相机；5.尺寸大小等其他问题。

镜头选型1.根据相机芯片大小和工作空间限制确定使用镜头的焦距或者放大倍数；2.考虑是否需要选用远心镜头；3.确定镜头分辨率；4.确定畸变率能否满足要求；5.景深是否满足要求；6.镜头是否兼容相机芯片尺寸；7.超大视野或超小视野；8.是否需要考虑透过光谱；9.镜头是否要配合其他配件；10.价格是否合理等其他问题。

光源选型Ø了解项目需求，明确要检测或者测量的目标；Ø分析目标与背景的区别，找出两者之间最可能差异大的光学现象；Ø根据光源与目标之间的配合关系，初步确定光源的发光类型；Ø拿实际光源测试，以确定满足要求的打光方式；Ø根据具体情况，确定适用于客户的产品。

常用经典配光方式方向漫射背光平行背光暗场配光明场配光无影光光谱白光单色光混合光近红外近紫外光波动光谱方向背光应用主要用于边缘提取、透明体内部不透明体检测、贯穿型缺陷检测、狭缝和通孔内杂质检测锯齿缺陷检测按键位置检测检测饮料瓶封装检测马达转子检测漫射背光存在的问题和解决办法暗场配光-低角度照射取、冲压、浇铸、浮雕图案识别与检测，光滑表面划伤、裂痕检测低角度照射-常用光源明场配光-高角度照射主要用于表面粗糙程度不同区域的区分、边缘或内部有垂直断差或者比较陡峭（超过60度）边缘检测或测量、光滑表面雕刻图案、裂缝、划伤、低反光与高反光区域分离等高角度照射-常用光源无影光应用可以避免弯曲表面导致的不均匀无影光胶囊缺陷检测平面无影光-银行卡平面无影光-银行卡案例目录偏振光应用ITO电路检测与定位多通道光源应用多向可控连续分布光源图形结构光应用裸板AOI大幅面表面检测偏振光应用偏振片（偏光片）自然光入射折射光垂直于反射光反射光为线偏振光Brewster定律自然光入射线偏振片线偏振光圆偏振片=线偏振片+1/4波片(45度)光入射圆偏振光偏振光应用反光偏振光应用反光贴膜旋光方案目录偏振光应用ITO电路检测与定位多通道光源应用多向可控连续分布光源图形结构光应用裸板AOI大幅面表面检测ITO电路检测与定位ITO(铟锡金属氧化物)具有很好的导电性和透明性，可以切断对人体有害的电子辐射、紫外线及远红外线，铟锡氧化物通常喷涂在玻璃、塑料及电子显示屏上，用作透明导电薄膜，同时减少对人体有害的电子辐射及紫外、红外辐射。

基本参数镜头的主要参数有焦距、分辨率、工作距离、景深、视野范围、畸变量等。

分辨率：指在像面处镜头在单位毫米内能够分辨的黑白相间的条纹对数，受镜头结构、材质、加工精度等因素的影响。

下图的分辨率为1/2d，其中，d为线宽。

分辨率的单位为lp/mm（线对/毫米）。

镜头和相机的分辨率影响最终成像的质量。

工作距离：一般指镜头前端到被测物体的距离，小于最小工作距离、大于最大工作距离的系统一般不能清晰成像。

景深：以镜头最佳聚焦时的工作距离为中心，前后存在一个范围，在此范围内镜头都可以清晰成像。

景深受焦距和光圈的影响：镜头的焦距越短，景深的范围就越大，光圈越小，景深就越大视野范围：图像采集设备所能够覆盖的范围，即和靶面上的图像所对应的物平面的尺寸。

焦距：镜头焦距与凸透镜的焦距概念略有不同，因为镜头是多个凸透镜组合而成的。

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。

根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。

畸变量：因凸透镜的固有特性造成的成像失真，无法完全消除。

畸变像差只影响成像的几何形状，而不影响成像的清晰度。

选用原则在机器视觉系统中，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。

第一步选择合适的镜头接口常用的镜头接口类型有C口、CS口、F口等，在选用镜头时要首先确定镜头的接口类型。

第二步确定焦距焦距是相机最主要的参数之一，一般先考虑焦距是否能够满足需求。

根据系统的整体尺寸和工作距离，结合靶面尺寸和待测范围的比值可以计算出镜头的焦距。

第三步确定靶面尺寸镜头的靶面尺寸要大于相机的靶面尺寸，否则进光量可能会导致图像信息的缺损。

第四步根据项目需求，综合考虑分辨率、畸变、景深等参数，根据光照环境确定光圈。

机器视觉硬件中的光源光源选用1.形状自由度高，可以组合成各种形状、尺寸，能够自由调整照射角度，可以根据客户需要定制；2.可以根据需要制成各种颜色，并可以随时调整亮度；3.光源散热性好，光亮度稳定，使用寿命长，可连续使用约数万小时；4.反应快捷，可在极短时间内达到最大亮度；5.运行成本低，性价比较高。

光源光源是机器视觉系统的重要组成部分，是机器视觉系统设计中必须重点注意的工作，在一定程度上，光源的设计与选择往往决定机器视觉系统成败的关键。

机器视觉中光源的选择判断机器视觉的照明的好坏，首先必须了解什么是光源需要做到的！显然光源不仅仅应该只是使检测部件能够被摄像头“看见”。

有时候，一个完整的机器视觉系统无法支持工作，但是仅仅优化一下光源就可以使系统正常工作。

机器视觉光源的选择标准对比度：对比度对机器视觉来说非常重要。

机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。

对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。

好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。

亮度：当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。

当光源不够亮时，可能有三种不好的情况会出现。

第一，相机的信噪比不够；由于光源的亮度不够，图像的对比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大。

其次，光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。

另外，当光源的亮度不够的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。

鲁棒性：（鲁棒性是控制系统在其特性或参数发生摄动时仍可使品质指标保持不变的性能）另一个测试好光源的方法是看光源是否对部件的位置敏感度最小。

当光源放置在摄像头视野的不同区域或不同角度时，结果图像应该不会随之变化。

方向性很强的光源，增大了对高亮区域的镜面反射发生的可能性，这不利于后面的特征提取。

在很多情况下，好的光源需要在实际工作中与其在实验室中的有相同的效果。

好的光源需要能够使你需要寻找的特征非常明显，除了是摄像头能够拍摄到部件外，好的光源应该能够产生最大的对比度、亮度足够且对部件的位置变化不敏感。

光源选择好了，剩下来的工作就容易多了！机器视觉应用关心的是反射光（除非使用背光）。

物体表面的几何形状、光泽及颜色决定了光在物体表面如何反射。

机器视觉应用的光源控制的诀窍归结到一点就是如何控制光源反射。

如何选择机器视觉相机的镜头
优化您的高性能机器视觉相机; 它需要与适当的镜头匹配。

我们专注于相机，但从我们多年的经验可以提供一些基本的镜头选择。

提供的细节和示例只是一个简单的概述。

我们可以将机器视觉镜头分为两个非官方的大类：
1. 镜头的视野（图像大小）比相机传感器的尺寸大得多
2. 视野范围较小或接近相机传感器尺寸的镜头。

当视野（图像尺寸）远大于相机传感器尺寸时
对于这种情况下的应用，视场（FOV）的范围从20-30毫米到100米（室外应用）。

用于这些应用的镜头具有固定焦距或可变焦距。

在选择过程中有三个重要的因素：
1. 视野
2. 工作距离
3. 相机的传感器尺寸
所采集图像的放大倍数=（相机的传感器尺寸）/（视场）
为了估算您的应用所需的焦距：
焦距=（放大倍数）*（工作距离）/（1 +放大率）
例如：
Adimec Opal-2000相机的传感器尺寸为2/3“。

如果一个应用需要摄像头看50mm（水平）的FOV和200mm的工作距离，通过使用前面提到的公式，我们应该能够估算出适用于这种应用的镜头。

FOV = 50mm
传感器尺寸= 8.8mm（基于2/3“传感器尺寸）
工作距离= 200mm
放大倍数= 0.176。

机器视觉--镜头远⼼镜头和相机的匹配选择原则：镜头靶⾯的规格⼤于或等于相机的靶⾯。

镜头分类(1)按外形功能分类可分为球⾯镜头、⾮球⾯镜头、针孔镜头、鱼眼镜头等。

(2) 按尺⼨⼤⼩分类可分为1英⼨、1/2英⼨、1/3英⼨、1/4英⼨等。

摄像头镜头规格应视摄像头的CCD尺⼨⽽定，两者应相对应，即摄像头的CCD靶⾯⼤⼩为1/2英⼨时，镜头应选1/2英⼨。

摄像头的CCD 靶⾯⼤⼩为1/3英⼨时，镜头应选1/3英⼨。

摄像头的CCD靶⾯⼤⼩为1/4英⼨时，镜头应选1/4英⼨。

如果镜头尺⼨与摄像头CCD靶⾯尺⼨不⼀致时，观察⾓度将不符合设计要求，或者发⽣画⾯在焦点以外等问题。

(3) 按镜头光圈分类可分为⼿动光圈（manual iris）和⾃动光圈（auto iris），配合摄像头使⽤，⼿动光圈镜头适合于亮度不变的应⽤场合，⾃动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作⾃动调整，故适⽤亮度变化的场合。

(4)按变焦类型分类根据焦距能否调节，可分为定焦距镜头和变焦距镜头两⼤类。

依据焦距的长短，定焦距镜头⼜可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四⼤类。

需要注意的是焦距的长短划分并不是以焦距的绝对值为⾸要标准，⽽是以像⾓的⼤⼩为主要区分依据，所以当靶⾯的⼤⼩不等时，其标准镜头的焦距⼤⼩也不同。

变焦镜头上都有变焦环，调节该环可以使镜头的焦距值在预定范围内灵活改变。

变焦距镜头最长焦距值和最短焦距值的⽐值称为该镜头的变焦倍率。

变焦镜头有可分为⼿动变焦和电动变焦两⼤类。

变焦镜头由于具有可连续改变焦距值的特点，在需要经常改变摄影视场的情况下⾮常⽅便使⽤，所以在摄影领域应⽤⾮常⼴泛。

但由于变焦距镜头的透镜⽚数多、结构复杂，所以最⼤相对孔径不能做得太⼤，致使图像亮度较低、图像质量变差，同时在设计中也很难针对各种焦距、各种调焦距离做像差校正，所以其成像质量⽆法和同档次的定焦距镜头相⽐。

变焦距镜头定焦距镜头⼿动变焦电动变焦鱼眼镜头短焦镜头标准镜头长焦镜头 实际中常⽤的镜头的焦距是从4毫⽶到300毫⽶的范围内有很多的等级，如何选择合适焦距的镜头是在机器视觉系统设计时要考虑的⼀个主要问题。

机器视觉镜头介绍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目标成像在图像传感器的光敏面上。

镜头的质量直接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。

一、镜头的基本构成常见的以成像为目的的镜头，可以分为透镜组合光阑两部分。

1.透镜单个透镜是进行光束变换的基本单元。

常见的有凸透镜和凹透镜两种，凸透镜对光线具有会聚作用，也称为会聚透镜或正透镜；凹透镜对光线具有发散作用，也称为发散透镜或负透镜。

镜头设计中常常将这两类镜头结合使用，校正各种像差和失真，以达到满意的成像效果。

2.光阑光阑的作用就是约束进入镜头的光束部分。

使有益的光束进入镜头成像，而有害的光束不能进入镜头。

根据光阑设置的目的不同，光阑又进一步细分为以下几种：孔径光阑：它决定了进入镜头的成像光束的多寡（口径）。

从而决定了镜头成像面的亮度，是镜头的关键部件之一。

通常讲的“调节光圈”，就是调节孔径光阑的口径，从而改变成像面的亮度。

视场光阑：它限制、约束着镜头的成像范围。

镜头的成像范围可能受一系列物理的边框、边界约束，因此实际镜头大多存在多个视场光阑。

例如，每个单透镜的边框都能限制斜入射的光束，因此它们都可以算作视场光阑；CCD、CMOS或者其它感光器件的物理边界也限制了有效成像的范围，因此这些边界也是视场光阑。

消杂光光阑：为限制杂散光到达像面而设置的光阑。

镜头成像的过程中，除了正常的成像光束能到达像面外，仍有一部分非成像光束也到达像面，它们被统称为杂散光。

杂散光对成像来说是非常有害的，相对于成像光束它们就是干扰、噪声，它们的存在降低了成像面的对比度，降低了系统的传函。

为了减少杂散光的影响，可以在设计过程中设置光阑来吸收阻挡杂散光到达像面，为此目的而引入的光阑都称为消杂光光阑。

一般地可以这样理解，透镜和光阑都是镜头的重要光学功能单元，透镜侧重于光束的变换（例如实现一定的组合焦距、减少像差等），光阑侧重于光束的取舍约束。