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这些镜头知识,你必须了解!

2016-02-14  闲云野鹤...

 光学人生

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1. 相机基础知识

按感光器件类型可分为2大类,CCD器件和CMOS器件

 

CCDCMOS
设计单一感光器,集中统一放大每个感光器连接放大器
灵敏度同样面积下,感光开口小灵敏度底
成本线路品质影响程度高,成本高CMOS整合集成,成本低
解析度连接复杂度低,解析度高新技术解析度高
噪点比单一放大,噪声低放大器多,特性不一致,噪点高
功耗比需外加电压,功耗高直接放大,功耗低

 

按用处分类可分为视觉相机和安防监控相机两大类

 

机器视觉安防监控
触发采集模式含有触发采集接口无触发采集接口
分辨率从高到低都有, 很丰富一般较低
程序接口有完善的程序开发库, 尤其对图像捕捉功能支持很齐全一般只有连续视频捕捉功能
价格很便宜
数据传输接口各种类型都有: USB, 千兆以太网, Cameralink, 1394目前以模拟接口为主, 数字接口较少

 

按感光单元排列方法分为线阵扫描相机和面阵扫描相机

 

线阵相机面阵相机
结构特点结构简单, 在同等分辨率下的成本较低结构复杂,在同等条件下成本高
应用场合匀速运动的物体,如工业流水线可以使静止的, 也可以是运动的
分辨率512, 2K, 4K/行

640x480, 800x600, 1024x768, ...2048x1536或者更高

光源光源只需要一窄条,这个画面比较均匀, 能在低照度下工作整个面的光源较难做到均匀,照度要求高
彩色相机形式三线CCD,或者棱镜分光彩色滤光膜, bayer算法

 

按彩色形成方式:

 

 

2: 镜头基础知识

镜头外形

机器视觉常用定焦镜头,并且都是手动调整光圈,一般不允许自动调整光圈,镜头上有调焦和调光圈两个环,为了防止误碰动

,工业镜头的两个环都有锁定螺丝。

注意调焦环不是用来调整焦距,而是调整像距,保证清晰图像落在焦平面上

常用镜头参数:焦距

焦距是镜头最常用的参数,我们包装检测系列产品中使用的镜头有3.5mm,4mm,6mm,8mm,12mm等多种规格(1/3CCD的标准镜头为8mm)

除杂系列产品一般都使用28mm的广角镜头(线扫描相机的标准镜头大概是40mm左右)

焦距越小的镜头越不好做,价格越高,边缘变形等问题越大,所以尽量选用标准镜头,性价比最高

常用镜头参数:光圈

 

光圈是一个用来控制光线透过镜头,进入机身内感光面的光量的装置

              光圈f= 镜头的焦距 / 镜头口径的直径

根据公式,光圈f值愈小,在同一单位时间内的进光量便愈多 ,每级光圈一般以倍数递增,例如f8调整到f5.6 ,进光量多一倍

 

光圈越小,景深越大

增加景深的问题

在我们的产品里,往往要求加大景深,例如除杂机里,烟叶不完全在同一个平面上,只有加大景深才能让不同距离上的烟叶都清晰。

加大景深只有通过缩小光圈来实现,而缩小光圈同时会导致图像变暗,这就要求照明亮度要提高

 

常用镜头参数:分辨率

镜头分辩率指的是在像平面处1毫米内能分辨开的黑白相间的线条对数,单位是 线对 / 毫米

条包检测器上用computar MP0814-MP镜头,是百万象素级的镜头,分辨率为100线对/mm,这个分辨率较高。其实除了视觉测量,其实我们的产品一般都不用这么高的分辨率

CCD的芯片的分辨率越高,要求的镜头的分辨率也越高

 

常用镜头参数:变形率

变形率的定义:

两张底片比较,一张是该镜头拍的底片(底片1),另一张是无变形的标准底片(底片2),两张底片的取景相同,中心严格一致,先在底片1上确定一点到底片中心点的距离(距离1),然后在底片2上找到对应的该点,并度量该点到中心点的距离(距离2),然后:(距离1 - 距离2) / 距离2 *100%

所有的镜头都存在有变形的现象,可以用一个网格线模板进行测试,一般情况下,越是焦距短的镜头,越是变形率大

变形率小于2%都是不错的镜头。

C接口和CS接口

 

C接口:镜头基准面到焦平面(也就是CCD靶面)为17.526mm

CS接口:镜头基准面到焦平面(也就是CCD靶面)为12.5mm

注意:机械设计如何确定焦平面(也就是CCD靶面),一般就是从相机镜头接口往后量12.5mm或者17.526mm(根据相机接口类型定)

3: 光路计算

CCD成像基础共式

 

CCD光路计算规律

在我们的计算中, 一般有如下规律

  1. u >> f:

  2. 像距v近似等于焦距f:由于物距u>>焦距f,根据公司,所以物距基本等于焦距,事实上,调焦的过程就是将像距微调和焦距基本相差不远

  3. 镜头中心点的确认:由于v近似等于f,所以,从CCD靶面向前焦距距离就是镜头中心点,这个点的缺点对于我们光路作图意义很大

视场角和镜头中心点

视角 = 2 arctag(CCD靶面尺寸/2V)

由于V近似等于f, 所以视角近似等于2arctag(CCD靶面尺寸/2f)

镜头中心的位置大致就在靶面向前f的距离上

 

视场角的进一步知识

视角与镜头、CCD尺寸均相关,

对于1/3寸CCD的视角

 

2.8mm3.5mm4mm4.8mm6mm8mm
86.3度67.4度62度52.2度42.3度32.6度

 

标准镜头是指和人眼有效视角差不多的镜头(大约30度),1/3英寸CCD的标准镜头是8mm,1/2英寸CCD的标准镜头是12mm。

以前35mm胶卷的照相机标准镜头是50mm,除杂机用的线阵相机标准镜头大致为40mm,标准镜头比较容易制造,性价比也比较高。

 

光路作图步骤1

  1. 查CCD手册得到靶面尺寸和位置,并在CAD图上画出靶面的位置

  2. 从靶面向前f(镜头的焦距,例如35mm)找到镜头中心点

  3. 连线即可得到CCD的视野范围

  4. 如果视野不满足要求,可通过更换不同焦距的镜头来达成目标

光路作图步骤2

  1. 如果视频柜的空间不够,可以采用反光镜来调整相机实际位置,作图时,以反光镜为中轴做镜像影射即可

  2. 镜子的两端应该超出视场角线两端一小段距离, 保证视野内全是反光镜的成像

  3. 相机不能出现在视角范围内, 否则会阻挡相机的视野

  4. 反光镜镜面不宜朝上, 否则容易落灰, 如果一定需要朝上, 必须做个外壳将相机和反光镜封在同一个密闭体内.

 

 

 

 

 

 

 

 


- END -


 


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