工业相机视野与分辨率计算

一、视场的计算方法

二、光学放大倍率的计算方法

三、焦距的计算方法

提示：工业相机传感器尺寸大小
1/4″:(3.2mm×2.4mm)；
1/3″:(4.8mm×3.6mm)；
1/2″:(6.4mm×4.8mm)；
2/3″:(8.8×6.6mm)；

1″:(12.8mm×9.6mm) .

工业相机、镜头、选型计算方式

1. 面阵相机和镜头选型
已知：被检测物体大小为A×B,要求能够分辨率小于C，工作距离为D
[1]相机选型步骤：
(1). 相机的最低分辨率=(A×B)/(C×C) ，
(2). 相机在选型时，最好缺陷的面积在3到5个像素以上，在选择相机时，相机的最低分辨率应大于3×(A×B)/(C×C)。
[2]镜头选型步骤：
(1). 计算短边对应的像素数E=B/C，相机长边和短边的像素数都要大于E；
(2). 像元尺寸=产品短边尺寸B/所选相机的短边像素数
(3). 放大倍率=所选相机芯片短片尺寸/相机短边的视野范围
(4). 可分辨的产品精度=像元尺寸/放大倍率 (判断是否小于C)
(5).物镜的焦距=工作距离/(1+1/放大倍率) 单位：mm
(6). 像面的分辨率要大于1/(2×0.1×放大倍率) 单位：lp/mm
以上仅针对镜头的主要参数进行计算选择，其他如畸变、景深、环境等，可根据实际要求进行选择。

2.针对速度和曝光时间的影响，产品是否有拖影
已知：确定每一次检测的范围为80mm×60mm，200万像素CCD相机(1600×1200)，相机或产品运动速度为12m/min=200mm/s
曝光时间计算步骤：
曝光时间<长边视野范围/(长边像素值*产品运动速度)
=80mm/(1600×200mm/s)
=1/4000s=0.00025s
故曝光时间要小于0.00025s，图像才不会拖影。

3.线扫相机和镜头的选型
[1] 相机选型步骤：
已知：幅宽为1600mm、检测精度为1mm/pixel、运动速度为22000mm/s、物距1300mm
(1). 相机像素=幅宽/检测精度=1600mm/1mm/pixel=1600pixel，最少需要2000个像素，选定为2K相机；
(2). 实际检测精度=幅宽/实际像素=1600mm/2000pixel=0.8mm/pixel
(3).扫描行频=运动速度/实际检测精度= 22000mm/s/0.8mm/pixel=27500pixel/s=27.5KHZ
综上，应选择2048像素28KHZ 像元尺寸10um的线扫相机
[2] 镜头选型步骤：
(1). sensor长度=像素宽度像素数=0.1mm ×2048=20.48mm
(2).镜头焦距=（sensor长度*物距）/幅宽=20.48×1300/1600=16.64mm

基本参数以及选型参考

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（1024Byte=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。

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