工业相机选型相关

工业相机基础知识（一）

CCD与CMOS

工业相机按照图像的传感器元件的不同分为CCD（Charge Coupled Device,电荷耦合元件）和CMOS（金属氧化物半导体元件）两类，两者的区别如下：

成像过程不同：

CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一输出数据，信号一致性好，而CMOS芯片中每个像素都有自己的信号放大器，各自进行电荷到电压的转换，输出信号的一致性较差，比CCD的信号噪声更多，但是CMOS的一个显著优点是功效较低。

集成性不同：

CCD的制造工艺复杂，输出的只是模拟电信号，还需要后续的译码器，模拟转换器，图像信号处理器等，集成度低。COMS可以把信号放大器，模数转换器等集成在一块芯片上，集成度高，成本低。随着CMOS成像技术的进步，CMOS未来会有越来越多的应用场景。

图像输出速度不同：

CCD采用逐个光敏输出，速度较慢，CMOS每个电荷元件都有独立的装换控制器，读出速度很快，FPS在500以上的高速相机大部分使用的都是CMOS。

噪声方面：

CCD技术较为成熟，成像质量相较CMOS具有一定优势，CMOS的集成度更高，各元器件间距距离更近，干扰更多。

线阵相机与面阵相机

 

线阵相机的传感器只有一行感光元素，一般应用于需要高频扫描和高分辨率的场合。线阵CCD的优点是一维像元数可以做到很多，一般长度有2K,4K,8K,12K，但线阵CCD获取图像必须配以扫描运动，为了能确定图像上每一个像素点在被测件上的对应位置，还需要配以光栅等器件记录线阵CCD每一扫描行的坐标，并配以线阵相机专用的图像采集卡，这就导致线阵相机系统较为复杂，成本略高，并用容易受扫描运动的精度和稳定性的影响。面阵相机的像元在纵横两个方向上间隔的离散度是一致的，而线阵CCD的像元间距和扫描行距上一般是有差别的，由于扫描行距受机械传动部分的限制，远大于像元间距。

面阵相机有比线阵相机更多的感光镜片，以矩阵排列，例如常说的百万像素相机即表示感光镜片矩阵W*H约等于1000*1000。面阵相机一次成像，它的分辨率指的是一个感光晶片代表的实物物体的大小。数值越小，分辨率越高，相同的相机选用不同集中的箭头，分辨率就不同。在表现图像细节方面，不是由相机的像素多少来决定的，而是由分辨率决定的。同等分辨率条件下，像素越多可以成像的区域面积越大。

工业相机的输出接口：

 

工业相机输出接口类型的选择主要由需要获得的数据类型决定。如果图像输出直接给视频监视器，那么只需要模拟输出的工业相机。如果需要将工业相机获取的图像传输给电脑处理，则有多种输出接口选择，但必须和采集卡的接口一致，通常有以下几种方式：

1.USB接口

USB接口直接输出数字图像信号，串行通信，支持热拔插，传输速度在120Mbps-480Mbps之间，会占用CPU资源。传输距离较短，稳定性稍差。

目前广泛采用的USB2.0接口，是最早应用的数字接口之一，具有开发周期短，成本低廉的特点。其缺点是传输数据较慢，传输数据过程需要CPU参与管理，占用资源，且由于接口没有螺丝固定，链接容易松动，最新的USB3.0接口使用了新的USB协议，可以更快的传输数据，但目前USB3.0的相机市场上不是很多。

2.1394a/1394b接口

俗称火线接口，是美国电气和电子工程师学会（IEEE）制定的一个标准工业串行接口。所以又称为“IEEE1394”,现主要用于视频采集，数据传输率可达800Mbps，支持热拔插。电脑上使用1394接口需要使用额外的采集卡，使用不方便，且由于早期苹果对该技术的垄断，市场普及率较低，已慢慢被市场所淘汰。

3.Gige接口

千兆以太网接口，PC标准接口，传输速率和距离都更高。是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准，特点是快捷的数据传输速度和高达100米的传输距离。是近几年市场上应用的重点，使用方便，CPU资源占用少，可多台同时使用。

4.Camera Link接口

需要单独的Camera Link采集卡，成本较高，便携性低，实际应用中较少，但是是目前工业相机中传输速度最快的一种传输方式，一般在高分辨率的高速面阵相机和线阵相机上应用，价格昂贵。

 

工业相机基本参数以及选型参考（二）

 

 

• 分辨率

相机每次采集图像的像素点数，一般对应于光电传感器靶面排列的像元数，如1920*1080。

 

• 像素深度

每位像素数据的位数，常见的是8bit，10bit，12bit。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。例如对于像素深度为8bit的500万像素，则整张图片应该有500万*8/1024/1024=37M（1024bit=1KB，1024KB=1M）。增加像素深度可以增强测量的精度，但同时也降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大等）。

 

• 最大帧率/行频

相机采集和传输图像的速度，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）。

 

• 曝光的方式和快门速度

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、场曝光和滚动曝光几种常见方式，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10ms，高速相机还会更快。

 

• 像元尺寸

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位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。

 

• 光谱响应特性

是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围为350nm~1000nm，一些相机在靶面前面加了一个滤镜，滤除红外线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

 

• 工业相机噪声

噪声是指成像过程中不希望被采集到的，实际成像目标之外的信号。总体上分为两类，一类是由有效信号带来的散粒噪声，这种噪声对任何相机都存在；另一类是相机本身固有的与信号无光的噪声。它是由于图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路带来的固有噪声，每台相机的固有噪声都不一样。

 

• 信噪比

相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值（有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值），代表了图像的质量，图像信噪比越高，相机性能和图像质量越好。

 

如何选择合适的工业相机：

 

• 1. CCD Or CMOS

CCD提供很好的图像质量、抗噪能力，尽管由于增加了外部电路使得系统的尺寸变大，复制下提高，但在电路设计师可更加灵活，更好的提升CCD相机某些特别关注的性能。CCD更适合于对相机性能要求非常高而对成本控制不太严格的应用领域，如天文、高清晰的医疗X光影像、其他需要长时间曝光，对图像噪声要求比较严格的应用场合。

CMOS具有成品率高、集成度高、功耗小、价格低等优点。但本身图像的噪声比较多。目前的CMOS技术不断发展，已经克服了早期的许多缺点，发展到了图像品质方面可以与CCD技术相较量的水平。CMOS适用于要求空间小、体积小、功耗低而对图像噪声和质量要求不是特别高的场合。如大部分辅助光照明的工业检测应用、安防保安应用、和大部分消费性商业数码相机。目前CCD工业相机任然在视觉检测方案中占据主导地位。

 

• 2. 合适的分辨率

根据目标的要求精度，反推出相机的像素精度。相机单方向分辨率=单方向视野范围除以理论精度。

例如对于视野大小为10*10mm的场合，要求精度为0.02mm/pixel,则当方向上分辨率=10/0.02=500.然而考虑到相机边缘视野的畸变以及系统的稳定性要求，一般不会只用一个像素单位对应一个测量精度值，一般选择倍数为4或者更高，这样相机单方向分辨率为2000，相机的分辨率=2000*2000=400万，所以选用500万像素的相机即可满足。

 

• 3. 足够的相机帧率

当被测物体有运动要求时，要选择帧数较高的工业相机，一般来说分辨率越高，帧数越低。

 

• 4. 合适的镜头

选择的镜头的支持CCD尺寸要大于等于相机CCD传感器芯片的尺寸，另外安装座是C、CS或F型接口也要匹配，同时考虑镜头的工作距离，是否留有足够空间等。

 

镜头主要参数工业相机镜头的参数与选型

一、 镜头主要参数

　　1.焦距(FocalLength)

　　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（注意！，相机的焦距与单片凸透镜的焦距是两个概念，因为相机上安装的镜头是多片薄的凸透镜组成，单片凸透镜的焦距是平行光线汇聚到一点，这点到凸透镜中心的距离）。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。

　　2.光圈(Iris)

　　用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。每个镜头上都标有最大F值，例如　8mm　/F1.4代表最大孔径为　5.7毫米　。F值越小，光圈越大，F值越大，光圈越小。

　　3.对应最大CCD尺寸(SensorSize)

　　镜头成像直径可覆盖的最大CCD芯片尺寸。主要有：1/2″、2/3″、1″和1″以上。

　　4.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。

　　5.景深(Depth ofField,DOF)

　　景深是指在被摄物体聚焦清楚后，在物体前后一定距离内，其影像仍然清晰的范围。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。光圈越大，景深越小;光圈越小、景深越大。焦距越长，景深越小;焦距越短，景深越大。距离拍摄体越近时，景深越小;距离拍摄体越远时，景深越大。

　　6.分辨率(Resolution)

　　分辨率代表镜头记录物体细节的能力，以每毫米里面能够分辨黑白对线的数量为计量单位：“线对/毫米”(lp/mm)。分辨率越高的镜头成像越清晰。

　　7、工作距离(Workingdistance,WD)

　　镜头第一个工作面到被测物体的距离。

　　8、视野范围(Field ofView,FOV)

　　相机实际拍到区域的尺寸。

　　9、光学放大倍数(Magnification,ß)

　　CCD/FOV，即芯片尺寸除以视野范围。

　　10、数值孔径(Numerical Aperture,NA)

　　数值孔径等于由物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半(a\2)的正弦值的乘积，计算公式为N.A=n*sina/2。数值孔径与其它光学参数有着密切的关系，它与分辨率成正比，与放大率成正比。也就是说数值孔径，直接决定了镜头分辨率，数值孔径越大，分辨率越高，否则反之。

　　11、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。

　　二、镜头选型

　　1.选择镜头接口和最大CCD尺寸

　　镜头接口只要可跟相机接口匹配安装或可通过外加转换口匹配安装就可以了;镜头可支持的最大CCD尺寸应大于等于选配相机CCD芯片尺寸。

　　2.选择镜头焦距

 

　　如图所示，在已知相机CCD尺寸、工作距离(WD)和视野(FOV)的情况下，可以计算出所需镜头的焦距(f)。

　　3.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。

　　4.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：　　

 

　　远心镜头又分为物方远心和双侧远心两种，如图：