相机镜头原理及其选型.docx

相机、镜头原理及其选型
1. 凸透镜成像原理
成像平面
镜头焦距
成像平面
镜头焦距

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

镜头部分
相机机身

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
3.1. CCD（Charge-coupled Device，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

3.2. 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。
3.3. 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。
3.4. 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。
3.5. 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
4.1. 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。
4.2. 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。
4.3. 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。
4.4. 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。
光圈值越大，景深越小；光圈值越小、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；

(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。
4.5. 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。
4.6. 视场(Field of view, 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。
4.7. 工作距离(Working Distance,即WD)
指清晰成像时，从镜头前部到受检验物体的距离。
4.8. 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。
4.9. 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
5.1. 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。
5.2. 选择相机与镜头接口类型

5.3. 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？
5.4. 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。

5.5. 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。
5.6. 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。
5.7. 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
6.1. 例一：同时选择相机和镜头

6.2. 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CCD 2/3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2/3 CCD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。
6.3. 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
7.1. 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>1/10 FOV 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。
7.2. 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
实际精度：1600/2048＝0.8
行频：22000mm/0.8mm＝27.5KHz
应选定相机为2048像素28kHz相机