一文带你了解工业相机和镜头参数和选型一、相机对于工业相机常用的是CMOS相机因为其帧率高速度快功耗低。先从工业相机的成像原理入手进而带大家了解相关参数常关注相机的参数是靶面尺寸像元大小分辨率和帧率等。成像原理镜头负责缩小成像镜头光圈负责控制进入相机的的光线强度快门控制光线照射在CMOS上的时间CMOS图像传感器负责成像(光信号转换为电信号)。感光芯片是将光信号转换为电信号通俗来讲负责成像用的如图2所示。1.1 像元尺寸像元是组成数字图像的最小单元。像元尺寸是感光芯片上面单位像元的尺寸也就是一个像素的大小。像元尺寸和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面的大小。注通常工业相机的像元尺寸2μm-14μm(微米)单位一般是微米(μm)。1.2. 相机的靶面尺寸靶面尺寸为感光芯片的尺寸通常为其对角线尺寸也就是传感器(工作区域为矩形)对角线长度单位为英寸。常见的靶面尺寸如图1.3. 相机的分辨率相机分辨率指的是感光芯片上像元的数量分辨率由像元数(像素数)确定通俗来说就是出图的大小有130万500万等。如图为130万面阵相机的参数分辨率为1280x102481310720则表示水平方向有1280个像素垂直方向有1024像素也就是感光芯片上共有1310720个像素。注常用的工业面阵相机分辨率有50万、130万、200万、500万等指的就是这个意思。1.4. 曝光通俗来讲曝光就是光线在感光芯片上的作用强度曝光方式如下全局曝光(GlobalShutter):整个芯片同时曝光(CCD)卷帘曝光(RollingShutter):逐行滚动曝光(CMOS)曝光通光量×曝光时间×增益曝光量(通光量)由镜头光圈控制曝光时间由快门控制,曝光时间越长拍摄图片越亮,对于运动的物体,过曝会产生径向模糊。1.5. 帧率简单来说就是工业相机每秒钟可以捕捉的最大的画幅数和图像的大小和通讯的速度单位为帧数每秒简称:FPS。帧为每秒可以最多可以拍摄图片的张数。注帧率和曝光时间的关系相机的采集过程分为曝光和采集一般来讲帧率和曝光时间成反比如曝光时间越长帧率越低通过采集过程不难理解其关系。1.6. 接口工业相机的接口主要有两种分别是镜头接口和数据接口。前者指的是相机连接镜头的机械接口后者指的是连接数据线的电气接口。镜头接口螺纹接口最常用的是CCSM12M42M58这五种。工业相机镜头螺纹接口C-mount、CS-mount、 F-mount、M12、M42、M58图10:CCS接口(机器视觉领域内用的最广泛的接口)图11:M42M58(一般用在大靶面的工业线扫相机上)数据接口(输出接口)所谓数据接口(输出接口)就是将采集的图像传输给计算机常见的接口如下干兆网GigE(1Gbps)也叫网口USB3.0(5.0Gbps)Camera Link(6.8Gbps)网口相对USB接口传输速度慢一些但稳定较强当你的线缆长度高达百米时优先选择网口。USB接口相对网口兼容性好一些且通过该接口可以给相机供电传输速度比网口快当你的线缆长度5米之内优先选择。Camera Link是针对工业相机特殊应用需求研发出来的比如图像数据量大带宽要求高。1.7. 采像模式实时:按照相机的设定帧率自由采集图像。触发:又叫硬触发外部触发信号接入控制相机曝光采集图像。单帧:又叫软触发通过软件触发相机拍摄一帧图像。1.8 案例解析如上图所示我们看到了相机的型号MV-CU013-A0UCMV海康相机C工业相机U惠普款面阵相机(L表示线阵)013130万A国产(传感器厂商)0预留位UUSB接口(G表示网口)C彩色(M表示黑白)二、镜头前面我们讲了相机接下来给大家分享镜头。我们最关注镜头的参数是光圈景深分辨率等。镜头是将目标物体的图像聚焦在相的感光芯片上通俗来讲属于一种光学系统。如图15所示镜头光心到感光靶面的距离为像距(v)被测物体到镜头光心的距离为物距(u)焦距(f)是焦点与镜头中心的距离。像距、物距与焦距f关系如下接下来给大家简单介绍我们平时最关注镜头的参数光圈、景深、分辨率等。2.1 光圈光圈通俗讲是通过收缩和扩大来控制入射光的强度其位于镜头内部。我们光圈常用值有1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等这些数值其实是镜头的相对光圈值这个数值越小其实际的物理光圈越大我们称之为大光圈反之亦然。我们在看一下光圈系数F如何定义其用于表示光圈的大小它等于镜头焦距f与通光孔径D之比(Ff/D)而通光孔径很大程度上正是由这个物理光圈所控制的。比如我们有一个50mm的镜头当光圈值为F1.2时此时根据公式Ff/D可得通光孔径直径约42mm当我们把光圈值调到F16此时通光孔径约为3mm。明白这些我们基本可以了解曝光量和光圈的关系光圈越大曝光量越多光圈越小曝光量越少。2.2 景深(DOV)在某个调焦位置上此时在物体前后会有一段相对成像清晰的区间我们把成像相对清晰的区间称为景深。景深计算公式由景深公式可知景深与光圈、焦距和物距关系如下光圈光圈越大景深越小光圈越小景深越大焦距镜头焦距越长景深越小焦距越短景深越大物距距离越远景深越大距离越近景深越小。2.3 镜头的分辨率镜头分辨率指的是它能分辨开两个靠近的物点的能力。我们一般用“物点”经镜头成像后的“像点”能被分辨的最小距离来表示小于这个距离我们就认为是一个点而大于这个距离我们认为是两个分开的点单位为µm。通俗来讲可以分辨到被测物体上的最小可分辨特征尺寸多数情况下视野越小分辨率越好。可以看到这只是单纯镜头本身的参数只反映镜头的解析能力而和相机多少像素无关它直接反映了一个物点经过镜头成像后会模糊成多大一个像斑这个数字当然越小越好。镜头的分辨率要大于相机。比如200万相机需要搭配600万镜头比较合适。2.4 镜头靶面尺寸镜头靶面尺寸指的是物体经过镜头成像在感光芯片上的最大尺寸这个成像最大尺寸是可以被确定的。镜头安装在相机上若镜头靶面尺寸小于相机靶面尺寸靶面外围总有一些像素点未被光线照射到像素点就被浪费了也就是相机的部分感光元件将无法得到充分利用。所以我们选择镜头和相机组合的时候我们要选择镜头靶面尺寸大于相机靶面尺寸这样我们相机的靶面才会被充分利用到。如图21所示的镜头靶面尺寸实际上是指的镜头安装在这样靶面尺寸大小的相机上是非常合适的。但实际中镜头靶面尺寸比相机大就可以适配的实际成像是看相机的像素的。2.5 聚焦调清晰度通过改变镜头内部镜片组的位置调整焦点的位置让不同距离的物体成像清晰往 NEAR 方向调节让近处的物体变清晰往 FAR 方向调节让远处的物体变清晰。简单来说这个旋钮的作用就是让你想拍的目标从模糊变得锐利清楚。相机成像的本质是光线穿过镜头汇聚成一个清晰的点打在传感器感光芯片上。如果这个 “交点” 没有刚好落在传感器平面上拍出来的画面就是模糊的。聚焦调清晰度的本质就是通过微调镜头内部镜片组的前后位置改变光线的汇聚点位置让它精准落在传感器平面上。焦距、聚焦、光圈调节过程先调焦距把画面拉到你想要的大小、构图再调聚焦让画面里的主体变得最清晰如果画面太亮 / 太暗再调节光圈2.6 案例解析图22是一个600万像素镜头实物带大家实际解读一下便于大家选择合适的镜头。第一圈0.7、0.3、0.2、0.1表示对焦距离,最近对焦距离为0.1m,镜头是没有最远对焦距离一说的,镜头都是无限远一般用符号来表示。第二圈8mm焦距F/2.8:光圈值1/1.8’靶面尺寸。第三圈表示光圈值。三、如何选型通过上面的简单讲解我们了解了相机和镜头的相关参数那我们如何选型呢接下来我们通过几个简单的例子了解一下。3.1 选择合适分辨率的相机已知要求的精度以及视野范围视野尺寸除以精度则分辨率(视野高/精度)×(视野宽/精度)。通俗来讲1个精度尺寸至少需要1个像元来识别视野范围对应整个感光芯片计算出视野范围包含多少个精度尺寸就是感光芯片需要多少个像元通常不会只用1个像素表示1个精度而是乘以3~4倍我们就知道知所需相机的分辨率了。比如视野大小为5mm×5mm精度要求为0.02mm分辨率(5/0.02)×5/(5/0.02)×410000000选用130万像素已经足够。注精度指一个像素表示实际物体的大小用(um×um)/pixel表示。注意像元尺寸并不等于精度像元尺寸是相机机械构造时固定的而精度与相机视野有关是变化的。精度值越小精度越高。3.2 选择合适的镜头我们通常选择镜头需要注意一下几个方面但是最重要的就是计算机镜头的焦距。镜头靶面尺寸需要大于等于相机CCD靶面尺寸否则成像有黑边。镜头的接口和相机接口匹配C镜头可通过转接口安装到CS相机CS镜头无法安装到C接口相机。C接口的焦平面距离是17.526毫米CS接口是焦平面距离12.52毫米其余参数同C接口所以在使用的过程中C接口镜头可以加装一个5mm厚的延长环与CS型摄像机搭配使用C接口镜头不加延长圈则会导致镜头碰到传感器靶面造成传感器损坏。计算正确的焦距已知靶面尺寸物距物体大小(观察范围)则焦距(物距xCMOS尺寸)/物体大小。已知观察范围为50mmx50mm工作距离为150mmCCD尺寸为1/1.8’(7.2×5.4mm),通过公式计算焦距为16.2mm,则选择焦距为16mm左右的的工业镜头。
工业相机和镜头参数和选型
一文带你了解工业相机和镜头参数和选型一、相机对于工业相机常用的是CMOS相机因为其帧率高速度快功耗低。先从工业相机的成像原理入手进而带大家了解相关参数常关注相机的参数是靶面尺寸像元大小分辨率和帧率等。成像原理镜头负责缩小成像镜头光圈负责控制进入相机的的光线强度快门控制光线照射在CMOS上的时间CMOS图像传感器负责成像(光信号转换为电信号)。感光芯片是将光信号转换为电信号通俗来讲负责成像用的如图2所示。1.1 像元尺寸像元是组成数字图像的最小单元。像元尺寸是感光芯片上面单位像元的尺寸也就是一个像素的大小。像元尺寸和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面的大小。注通常工业相机的像元尺寸2μm-14μm(微米)单位一般是微米(μm)。1.2. 相机的靶面尺寸靶面尺寸为感光芯片的尺寸通常为其对角线尺寸也就是传感器(工作区域为矩形)对角线长度单位为英寸。常见的靶面尺寸如图1.3. 相机的分辨率相机分辨率指的是感光芯片上像元的数量分辨率由像元数(像素数)确定通俗来说就是出图的大小有130万500万等。如图为130万面阵相机的参数分辨率为1280x102481310720则表示水平方向有1280个像素垂直方向有1024像素也就是感光芯片上共有1310720个像素。注常用的工业面阵相机分辨率有50万、130万、200万、500万等指的就是这个意思。1.4. 曝光通俗来讲曝光就是光线在感光芯片上的作用强度曝光方式如下全局曝光(GlobalShutter):整个芯片同时曝光(CCD)卷帘曝光(RollingShutter):逐行滚动曝光(CMOS)曝光通光量×曝光时间×增益曝光量(通光量)由镜头光圈控制曝光时间由快门控制,曝光时间越长拍摄图片越亮,对于运动的物体,过曝会产生径向模糊。1.5. 帧率简单来说就是工业相机每秒钟可以捕捉的最大的画幅数和图像的大小和通讯的速度单位为帧数每秒简称:FPS。帧为每秒可以最多可以拍摄图片的张数。注帧率和曝光时间的关系相机的采集过程分为曝光和采集一般来讲帧率和曝光时间成反比如曝光时间越长帧率越低通过采集过程不难理解其关系。1.6. 接口工业相机的接口主要有两种分别是镜头接口和数据接口。前者指的是相机连接镜头的机械接口后者指的是连接数据线的电气接口。镜头接口螺纹接口最常用的是CCSM12M42M58这五种。工业相机镜头螺纹接口C-mount、CS-mount、 F-mount、M12、M42、M58图10:CCS接口(机器视觉领域内用的最广泛的接口)图11:M42M58(一般用在大靶面的工业线扫相机上)数据接口(输出接口)所谓数据接口(输出接口)就是将采集的图像传输给计算机常见的接口如下干兆网GigE(1Gbps)也叫网口USB3.0(5.0Gbps)Camera Link(6.8Gbps)网口相对USB接口传输速度慢一些但稳定较强当你的线缆长度高达百米时优先选择网口。USB接口相对网口兼容性好一些且通过该接口可以给相机供电传输速度比网口快当你的线缆长度5米之内优先选择。Camera Link是针对工业相机特殊应用需求研发出来的比如图像数据量大带宽要求高。1.7. 采像模式实时:按照相机的设定帧率自由采集图像。触发:又叫硬触发外部触发信号接入控制相机曝光采集图像。单帧:又叫软触发通过软件触发相机拍摄一帧图像。1.8 案例解析如上图所示我们看到了相机的型号MV-CU013-A0UCMV海康相机C工业相机U惠普款面阵相机(L表示线阵)013130万A国产(传感器厂商)0预留位UUSB接口(G表示网口)C彩色(M表示黑白)二、镜头前面我们讲了相机接下来给大家分享镜头。我们最关注镜头的参数是光圈景深分辨率等。镜头是将目标物体的图像聚焦在相的感光芯片上通俗来讲属于一种光学系统。如图15所示镜头光心到感光靶面的距离为像距(v)被测物体到镜头光心的距离为物距(u)焦距(f)是焦点与镜头中心的距离。像距、物距与焦距f关系如下接下来给大家简单介绍我们平时最关注镜头的参数光圈、景深、分辨率等。2.1 光圈光圈通俗讲是通过收缩和扩大来控制入射光的强度其位于镜头内部。我们光圈常用值有1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等这些数值其实是镜头的相对光圈值这个数值越小其实际的物理光圈越大我们称之为大光圈反之亦然。我们在看一下光圈系数F如何定义其用于表示光圈的大小它等于镜头焦距f与通光孔径D之比(Ff/D)而通光孔径很大程度上正是由这个物理光圈所控制的。比如我们有一个50mm的镜头当光圈值为F1.2时此时根据公式Ff/D可得通光孔径直径约42mm当我们把光圈值调到F16此时通光孔径约为3mm。明白这些我们基本可以了解曝光量和光圈的关系光圈越大曝光量越多光圈越小曝光量越少。2.2 景深(DOV)在某个调焦位置上此时在物体前后会有一段相对成像清晰的区间我们把成像相对清晰的区间称为景深。景深计算公式由景深公式可知景深与光圈、焦距和物距关系如下光圈光圈越大景深越小光圈越小景深越大焦距镜头焦距越长景深越小焦距越短景深越大物距距离越远景深越大距离越近景深越小。2.3 镜头的分辨率镜头分辨率指的是它能分辨开两个靠近的物点的能力。我们一般用“物点”经镜头成像后的“像点”能被分辨的最小距离来表示小于这个距离我们就认为是一个点而大于这个距离我们认为是两个分开的点单位为µm。通俗来讲可以分辨到被测物体上的最小可分辨特征尺寸多数情况下视野越小分辨率越好。可以看到这只是单纯镜头本身的参数只反映镜头的解析能力而和相机多少像素无关它直接反映了一个物点经过镜头成像后会模糊成多大一个像斑这个数字当然越小越好。镜头的分辨率要大于相机。比如200万相机需要搭配600万镜头比较合适。2.4 镜头靶面尺寸镜头靶面尺寸指的是物体经过镜头成像在感光芯片上的最大尺寸这个成像最大尺寸是可以被确定的。镜头安装在相机上若镜头靶面尺寸小于相机靶面尺寸靶面外围总有一些像素点未被光线照射到像素点就被浪费了也就是相机的部分感光元件将无法得到充分利用。所以我们选择镜头和相机组合的时候我们要选择镜头靶面尺寸大于相机靶面尺寸这样我们相机的靶面才会被充分利用到。如图21所示的镜头靶面尺寸实际上是指的镜头安装在这样靶面尺寸大小的相机上是非常合适的。但实际中镜头靶面尺寸比相机大就可以适配的实际成像是看相机的像素的。2.5 聚焦调清晰度通过改变镜头内部镜片组的位置调整焦点的位置让不同距离的物体成像清晰往 NEAR 方向调节让近处的物体变清晰往 FAR 方向调节让远处的物体变清晰。简单来说这个旋钮的作用就是让你想拍的目标从模糊变得锐利清楚。相机成像的本质是光线穿过镜头汇聚成一个清晰的点打在传感器感光芯片上。如果这个 “交点” 没有刚好落在传感器平面上拍出来的画面就是模糊的。聚焦调清晰度的本质就是通过微调镜头内部镜片组的前后位置改变光线的汇聚点位置让它精准落在传感器平面上。焦距、聚焦、光圈调节过程先调焦距把画面拉到你想要的大小、构图再调聚焦让画面里的主体变得最清晰如果画面太亮 / 太暗再调节光圈2.6 案例解析图22是一个600万像素镜头实物带大家实际解读一下便于大家选择合适的镜头。第一圈0.7、0.3、0.2、0.1表示对焦距离,最近对焦距离为0.1m,镜头是没有最远对焦距离一说的,镜头都是无限远一般用符号来表示。第二圈8mm焦距F/2.8:光圈值1/1.8’靶面尺寸。第三圈表示光圈值。三、如何选型通过上面的简单讲解我们了解了相机和镜头的相关参数那我们如何选型呢接下来我们通过几个简单的例子了解一下。3.1 选择合适分辨率的相机已知要求的精度以及视野范围视野尺寸除以精度则分辨率(视野高/精度)×(视野宽/精度)。通俗来讲1个精度尺寸至少需要1个像元来识别视野范围对应整个感光芯片计算出视野范围包含多少个精度尺寸就是感光芯片需要多少个像元通常不会只用1个像素表示1个精度而是乘以3~4倍我们就知道知所需相机的分辨率了。比如视野大小为5mm×5mm精度要求为0.02mm分辨率(5/0.02)×5/(5/0.02)×410000000选用130万像素已经足够。注精度指一个像素表示实际物体的大小用(um×um)/pixel表示。注意像元尺寸并不等于精度像元尺寸是相机机械构造时固定的而精度与相机视野有关是变化的。精度值越小精度越高。3.2 选择合适的镜头我们通常选择镜头需要注意一下几个方面但是最重要的就是计算机镜头的焦距。镜头靶面尺寸需要大于等于相机CCD靶面尺寸否则成像有黑边。镜头的接口和相机接口匹配C镜头可通过转接口安装到CS相机CS镜头无法安装到C接口相机。C接口的焦平面距离是17.526毫米CS接口是焦平面距离12.52毫米其余参数同C接口所以在使用的过程中C接口镜头可以加装一个5mm厚的延长环与CS型摄像机搭配使用C接口镜头不加延长圈则会导致镜头碰到传感器靶面造成传感器损坏。计算正确的焦距已知靶面尺寸物距物体大小(观察范围)则焦距(物距xCMOS尺寸)/物体大小。已知观察范围为50mmx50mm工作距离为150mmCCD尺寸为1/1.8’(7.2×5.4mm),通过公式计算焦距为16.2mm,则选择焦距为16mm左右的的工业镜头。
