工业镜头模拟效果智能自动化离不开视觉系统，盘点工业镜头40问|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

智能自动化离不开视觉系统，盘点工业镜头40问

1：工业相机的丢帧的问题是由什么原因引起的?

经常会有一些机器视觉工程师认为USB接口的工业相机会造成丢帧现象。一般而言，工业相机丢帧与工业相机所采用的传输接口是没有关系的，无论是USB，还是1394、GigE、或者是CameraLink。设计不良的驱动程序或工业相机硬件才是造成丢帧的真正原因：设计不良的工业相机之所以会发生丢帧的现象，其实就是资料通道的堵塞，无法及时处理,所以新的图像进来时，前一张可能被迫丢弃，或是新的图像被迫丢弃。要解决这问题，需要设计者针对驱动程序与工业相机硬件资料传输的每个环节进行精密的设计。

2：工业相机输入、输出接口有哪些?

在机器视觉检测技术中，工业相机的输入、输出接口有Camera Link、IEEE 1394、USB2.0、Ethernet、USB3.0几种；

3：知道被测物的长、宽、高以及要求的测量精度，如何来选择CCD 相机和工业镜头，选择以上器件需要注意什么?

首先要选择合适的镜头。选择镜头应该遵循以下原则：

1).与之相配的相机的芯片尺寸是多大；

2).相机的接口类型是哪种的，C 接口，CS 接口还是其它接口；

3).镜头的工作距离；

4).镜头视场角；

5).镜头光谱特性；

6).镜头畸变率；

7).镜头机械结构尺寸；

选择CCD 相机时，应该综合考虑以下几个方面：

1).感光芯片类型；CCD 还是CMOS

2).视频特点；包括点频、行频。

3).信号输出接口；

4).相机的工作模式：连续，触发，控制，异步复位，长时间积分。

5).视频参数调整及控制方法：Manual、RS232.

同时，选择CCD 的时候应该注意，l inch = 16mm 而不是等于25.4mm.

4：CCD 相机与CMOS 相机的区别在哪里？

1、成像过程

CCD 与CMOS 图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS 芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是CCD 为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS 芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD 要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS 相对CCD 的固有劣势。

2、集成性

从制造工艺的角度看，CCD 中电路和器件是集成在半导体单晶材料商，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD 晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD 仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。而CMOS是集成在被称作金属氧化物的版单体材料上，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此声场CMOS 的成本相对CCD 低很多。同时CMOS 芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D 转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS 成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS 成像芯片，包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等。

3、速度

CCD 采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS 有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，目前大部分500fps 以上的高速相机都是CMOS 相机。此外CMOS 的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。

4、噪声

CCD 技术发展较早，比较成熟，采用PN 结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS 光电传感器有一定优势。由于CMOS 图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。近年，随着CMOS 电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS 图像传感器提供了良好的条件。

5：工业相机都有哪些主要参数？

1.分辨率

2. 速度（帧频/行频）

3. 噪声

4. 信噪比

5. 动态范围

6. 像元深度

7. 光谱响应

8. 光学接口

6：工业相机的分辨率是如何定义的？

分辨率是相机最基本的参数，由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：1920（H）x 1080(V)，前面的数字表示每行的像元数量，即共有1920个像元，后面的数字表示像元的行数，即1080 行。现在相机的分辨率通常表示多少K,如1K（1024），2K(2048)，3K(4096)等。在采集图像时，相机的分辨率对图像质量有很大的影响。在对同样大的视场（景物范围）成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。

7：工业相机的帧频和行频是什么意思？

相机的帧频/行频表示相机采集图像的频率，通常面阵相机用帧频表示，单位fps（Frame Per second），如30fps，表示相机再1 秒钟内最多能采集30 帧图像；线阵相机通常用行频便是单位KHz,如12KHz 表示相机再1 秒钟内最多能采集12000 行图像数据。速度是相机的重要参数，在实际应用中很多时候需要对运动物体成像。相机的速度需要满足一定要求，才能清晰准确的对物体成像。相机的帧频和行频首先受到芯片的帧频和行频的影响，芯片的设计最高速度则主要是由芯片所能承受的最高时钟决定。

8：工业相机的噪声是什么意思？

工业相机的噪声是指成像过程中不希望被采集到的，实际成像目标外的信号。根据欧洲相机测试标准EMVA1288 中，定义的相机中的噪声从总体上可分为两类：一类是由有效信号带来的符合泊松分布的统计涨落噪声，也叫散粒噪声（shot noise）,这种噪声对任何相机都是相同的，不可避免，尤其确定的计算公式。（就是：噪声的平方= 信号的均值）。第二类是相机自身固有的与信号无关的噪声，它是由图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路等带来的噪声，每台相机的固有噪声都不一样。另外，对数字相机来说，对视频信号进行模拟转换时会产生量化噪声，量化位数越高，噪声越低。

9：工业相机的信噪比什么意思？

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，图像质量越好。

10：工业相机中动态范围是什么意思？

相机的动态范围表明相机探测光信号的范围，动态范围可用两种方法来界定，一种是光学动态范围，指饱和时最大光强与等价于噪声输出的光强的比值，由芯片的特性决定。另一种是电子动态范围，他指饱和电压和噪声电压之间的比值。对于固定相机其动态范围是一个定值，不随外界条件变化而变化。在线性响应去，相机的动态范围定义为饱和曝光量与噪声等效曝光量的比值：动态范围=光敏元的满阱容量/等效噪声信号动态范围可用倍数、dB 或Bit 等方式来表示。动态范围大，则相机对不同的光照强度有更强的适应能力。

11：工业相机里的像元深度是什么意思？

数字相机输出的数字信号，即像元灰度值，具有特殊的比特位数，称为像元深度。对于黑白相机这个值的方位通常是8-16bit。像元深度定义了灰度由暗道亮的灰阶数。例如，对于8bit的相机0 代表全暗而255 代表全亮。介于0 和25 之间的数字代表一定的亮度指标。10bit 数据就有1024个灰阶而12bit有4096个灰阶。每一个应用我们都要仔细考虑是否需要非常细腻的灰度等级。从8bit上升到10bit 或者12bit 的确可以增强测量的精度，但是也同时降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大），因此我们也要慎重选择。

12：工业相机都有哪些接口？

接口是指相机与镜头之间的借口，常用的镜头的借口有C口，CS口，F口。

13：工业相机是怎么分类的？

1. 按照芯片结构分类：CCD 相机& CMOS 相机

2. 按照传感器结构分：面阵相机 & 线阵相机

3. 按照输出模式分类：模拟相机 & 数字相机

4. 彩色相机&黑白相机

14：工业相机与普通数码相机的区别在哪里？

1.工业相机的快门时间特别短，能清晰地抓拍快速运动的物体，而普通相机抓拍快速运动的物体非常模糊；

2.工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通相机的图像传感器是隔行扫描的，甚至是隔三行扫描；

3.工业相机的拍摄速度远远高于普通的相机；工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅的图片，而普通相机只能拍摄2-3 幅图像；

4.工业相机输出的是裸数据，它的光谱范围也往往比较宽，比较适合进行高质量的图像处理算法，普遍应用于机器视觉系统中。而普通相机拍摄的图片，它的光谱范围只适合人眼视觉，并且经过了MPEG 压缩，图像质量也较差；

15：如何选择线阵相机？

1.计算分辨率：幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素。

2.检测精度：幅宽除以像素得出实际检测精度。

3.扫描行数：每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数。

根据以上计算结果选择线阵相机举例如下：

如幅宽为1600 毫米、精度1 毫米、运动速度22000mm/s 相机：1600/1＝1600 像素最少2000像素，选定为2k 相机 1600/2048＝0.8 实际精度22000mm/0.8mm＝27.5KHz 应选定相机为2048 像素28kHz 相机

16：线阵相机有哪些特点？

1.线阵相机使用的线扫描传感器通常只有一行感光单元（少数彩色线阵使用三行感光单元的传感器）

2.线阵相机每次只采集一行图像；

3.线阵相机每次只输出一行图像；

4.与传统的面阵相机相比，面阵扫描每次采集若干行的图像并以帧方式输出。

17：为什么要在机器视觉检测中使用线阵相机？

1.线阵相机有更高的分辨率；线阵相机每行像素一般为1024，2048，4096，8012；而一般的面阵相机仅为640，768，1280，大于2048的面阵很少见。

2.线阵相机的采集速度更快；不同型号的线阵相机采集速度从每秒5000 行-60000 行不等，用户可以选择没几行或者每十几行即构成一帧图像进行处理一次，因此可以达到很高的帧率。

3.线阵相机可以不间断的连续采集和处理；线阵相机可以对直线运动的物体（直线导轨，滚筒上的纸张，织物，印刷品，传送带上的物体等）进行连续采集。

4.线阵相机有更简单合理的构造。与面阵相机相比，线阵相机不会浪费分辨率采集到无用数据。

18：什么是智能工业相机？

智能工业相机并不是一台简单的相机，而是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。智能工业相机一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成。由于应用了最新的DSP、FPGA 及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种机器视觉的应用需求。

19： CCD 芯片与CMOS 芯片的主要参数有哪些？

在机器视觉中主要采用的两类光电传感芯片分别为CCD 芯片和CMOS 芯片，CCD 是ChargeCoupled Device(电荷耦合器件)的缩写，CMOS 是Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor(互补金属氧化物半导体)的缩写。无论是CCD 还是CMOS，他们的作用都是通过光电效应将光信号转换成电信号（电压/电流），进行存储以获得图像。CCD 芯片与CMOS 芯片的主要参数有：

1. 像元尺寸

像元尺寸指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um,9um , 7um ,6.45um ,3.75um 等。像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。

2. 灵敏度

灵敏度是芯片的重要参数之一，它具有两种物理意义。一种指光器件的光电转换能力，与响应率的意义相同。即芯片的灵敏度指在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流），单位可以为纳安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）。另一种是指器件所能传感的对地辐射功率（或照度），与探测率的意义相同，。单位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示。

3. 坏点数

由于受到制造工艺的限制，对于有几百万像素点的传感器而言，所有的像元都是好的情况几乎不太可能，坏点数是指芯片中坏点（不能有效成像的像元或相应不一致性大于参数允许范围的像元）的数量，换点数是衡量芯片质量的重要参数。

4. 光谱响应

光谱响应是指芯片对于不同光波长光线的响应能力，通常用光谱响应曲线给出。

20：线阵相机与面阵相机的区别在哪里？

线阵CCD 工业相机主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理。在机器视觉领域中，线阵工业相机是一类特殊的视觉机器。与面阵工业相机相比，它的传感器只有一行感光元素，因此使高扫描频率和高分辨率成为可能。线阵工业相机的典型应用领域是检测连续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等。被检测的物体通常匀速运动 , 利用一台或多台工业相机对其逐行连续扫描 , 以达到对其整个表面均匀检测。可以对其图像逐行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图像进行处理。另外线阵工业相机非常适合测量场合，这要归功于传感器的高分辨率 , 它可以准确测量到微米。

对于面阵CCD 来说，应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵CCD 的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制，而线阵CCD 的优点是一维像元数可以做得很多，而总像元数角较面阵CCD 工业相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态目标的测量。

21：线阵相机是如何定义的？

线阵工业相机，机顾名思义是呈“线”状的。虽然也是二维图像，但极长，几K 的长度，而宽度却只有几个像素的而已。一般上只在两种情况下使用这种相机：

1、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。

2、需要极大的视野或极高的精度。

22：选择工业相机的一般步骤是什么？

第一步，首先需要知道系统精度要求和工业相机分辨率；

第二步，需要知道系统速度要求与工业相机成像速度；

第三步，需要将工业相机与图像采集卡一并考虑，因为这涉及到两者的匹配；

第四步，价格的比较。

23：如何用机器视觉系统要求的精度来计算出需要选用相机的分辨率(像素)？

知道实际检测精度来反推该选用多大像素的工业相机可以通过公式来计算得出：X 方向系统精度（X 方向像素值）=视野范围（X 方向）/CCD 芯片像素数量（ X 方向）；Y 方向系统精度（Y 方向像素值）=视野范围（Y方向）/CCD 芯片像素数量（ Y 方向）来获得。当然理论像素值的得出，要由系统精度及亚像素方法综合考虑；

24：如何根据实际要求的检测速度来推导出该选用什么速度的工业相机？

系统单次运行速度=系统成像（包括传输）速度+系统检测速度，虽然系统成像（包括传输）速度可以根据工业相机异步触发功能、快门速度等进行理论计算，最好的方法还是通过软件进行实际测试；

25：工业相机需要与图像采集卡匹配哪些才能正常使用？

工业相机需要与图像采集卡匹配好才能正常使用，一般需要匹配以下几个：

ａ、视频信号的匹配，对于黑白模拟信号相机来说有两种格式，CCIR和RS170（EIA），通常采集卡都同时支持这两种工业相机；

ｂ、分辨率的匹配，每款板卡都只支持某一分辨率范围内的相机；

ｃ、特殊功能的匹配，如要是用相机的特殊功能，先确定所用板卡是否支持此功能，比如，要多部相机同时拍照，这个采集卡就必须支持多通道，如果相机是逐行扫描的，那么采集卡就必须支持逐行扫描；

ｄ、接口的匹配，确定相机与板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、Firewire1394 等。

26：USB 接口的工业相机与1394 接口工业相机的区别在哪里？

USB 相机与1394 相机从接口方面来说影响到我们选择的因素主要有以下几点：

a）协议规范：1394 设备相关工业规范协议有50 多种，涉及到从摄像机、工业相机、等设备。各厂家的1394 工业相机大都遵循DCAM 工业规范。而USB 工业相机的接口是近期从商业PC 应用中发展起来的商业规范。

b）供电方式：1394 工业相机操作电压为8 到30VDC，USB 工业相机工作电压是5VDC。从供电范围角度看，1394接口符合工业领域单独设备的直流供电要求，比如12VDC 或24VDC；而USB 接口采用电子线路TTL 标准电压供电，一般做设备内部供电使用。

c）操作系统配合：1394 接口工业相机在系统重新启动后能够保持原先的地址不变，而USB 接口工业相机每次启动后都需要系统重新分配地址的。

d）数据传输：1394 接口在处理多台工业相机的数据传输时，有着先天的优势。从发展背景来看，USB 接口是承接RS232 接口的新一代高速数据传输接口，而1394 接口的工业相机是作为替代SCSI 和PCI 总线的而设计的。

27：智能工业相机与一般工业相机区别在哪里？

智能相机与工业相机区别，简言之：智能相机是一种高度集成化的微小型机器视觉系统；而工业相机是机器视觉系统的组成部分之一。

28：智能工业相机中图像采集单元的主要功能是什么？

在智能相机中，图像采集单元相当于普通意义上的CCD/CMOS 相机和图像采集卡。它将光学图像转换为模拟/数字图像，并输出至图像处理单元。

29：智能工业相机中图像处理单元起什么作用

在智能工业相机中，图像处理单元类似于图像采集、处理卡。它可对图像采集单元的图像数据进行实时的存储，并在图像处理软件的支持下进行图像处理。

30：智能工业相机中图像处理软件的主要作用是什么？

图像处理软件主要在图像处理单元硬件环境的支持下，完成图像处理功能。如几何边缘的提取、Blob、灰度直方图、OCV/OVR、简单的定位和搜索等。在智能相机中，以上算法都封装成固定的模块，用户可直接应用而无需编程。

31：智能工业相机中网络通信装置起什么作用？

网络通信装置是智能相机的重要组成部分，主要完成控制信息、图像数据的通信任务。智能相机一般均内置以太网通信装置，并支持多种标准网络和总线协议，从而使多台智能相机构成更大的机器视觉系统。

32：选择工业相机时应注意什么？

1、根据应用的不同来决定是需要选用CCD 还是CMOS 相机CCD 工业相机主要应用在运动物体的图像提取，如贴片机，当然随着CMOS 技术的发展，许多贴片机也在选用CMOS 工业相机。用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD 工业相机比较多。 CMOS 工业相机由成本低，功耗低也应用越来越广泛。

2、分辨率的选择，首先考虑待观察或待测量物体的精度，根据精度选择分辨率。其次看工业相机的输出，若是体式观察或机器软件分析识别，分辨率高是有帮助的；若是VGA 输出或USB输出，在显示器上观察，则还依赖于显示器的分辨率，工业相机的分辨率再高，显示器分辨率不够，也是没有意义的；利用存储卡或拍照功能，工业相机的分辨率高也是有帮助的。

3、与镜头的匹配，传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸，C 或CS 安装座也要匹配（或者增加转接口）；

4、相机帧数选择，当被测物体有运动要求时，要选择帧数高的工业相机。但一般来说分辨率越高，帧数越低；

33：如何设置工业相机中的“自动增益控制”功能？

工业相机内有一个将来自 CCD 的信号放大到可以使用水准的视频放大器，其放大即增益，等效于有较高的灵敏度，然而在亮光照的环境下放大器将过载，使视频信号畸变。当开关在 ON 时，在低亮度条件下完全打开镜头光圈，自动增加增益以获得清晰的图像。开关在 OFF时，在低亮度下可获得自然而低噪声的图像。

34：如何来选购图像采集卡？

在选购及使用图像采集卡时，需要考虑的两个关键性的因素为：硬件的可靠性以及软件的支持。在其它条件都同等的情况下，一块复杂具有更多器件的卡会比器件较少的卡耗散更多的热量。好的设计会采用更多的ASIC(Applica tion-specific integrated circuits)和可编程器件以减少电子器件的数量，而达到更高的功能。还可以选择具有更少的无用功能的卡以减少不必要的麻烦。过压保护是可靠性的一个重要指标。接近高压会在视频电缆产生很强的电涌，在视频输入端和I/O 口加过压保护电路可保护采集卡不会被工业环境电磁干扰会产生的高压击穿。选择采集卡的同时还必须考虑此视觉系统要选用的软件与采集卡是否兼容，是否使用方便，其软件是否要求付费等。

35：高速工业相机与一般工业相机相比有哪些优势？

1. 高速实时无压缩图像记录，实时显示，设定速度回显；

2. 系统采用直接将数据写入硬盘的记录方式，解决了传统内存记录方式记录时间短的问题，同时解决了传统采集；

系统传输速度受PCI 总线带宽限制的问题；

3. 保证100%不丢帧，解决了传统内存记录方式易丢帧、缺乏断电保护等问题；

4. 系统独立工作，几乎不占用计算机资源，可靠性高；

5. 一套系统中可支持多块板卡和相机，同时对多个目标进行跟踪记录；

6. 支持多种外部信号的叠加融合；

7. 支持多种图像格式，有多种软硬件外触发功能；

8. 软件接口简单，便于二次开发和实时处理。

36：工业相机的机械快门与电子快门有什么区别？

机械快门：用弹簧或是电磁手段，控制几片叶片的开闭，或是两层帘幕像舞台“拉幕”一样左右或上下以一定宽度的缝隙“划过”成像像场窗口，让窗口获得指定时间长短的“见光机会”——这就使通常的机械快门概念。

电子快门：通过电路直接操作CCD/CMOS 控制快门曝光，被称为电子快门。利用了CCD/CMOS 不通电不工作的原理，在CCD 不通电的情况下，尽管窗口“大敞开”，但是并不能产生图像。如果在按下快门钮时，使用电子时间电路，使CCD/CMOS 只通电“一个指定的时间长短”，就也能获得像有快门“瞬间打开”一样的效果。

一般而言，机械快门的好处是不用电即可工作，缺点是高速和低速档比较会不准确。电子快门比纯机械快门更精确，性能更高(最短曝光时间可以更短等等)，可靠性更高，寿命更长。

37：数字工业相机与模拟工业相机的区别是什么？

从概念上来讲，这两种相机只在输出信号上有区别，模拟工业相机输出的是模拟信号，数字工业相机输出的是数字信号。也就是说模拟工业相机的A/D 转换是在工业相机之外进行的，数字工业相机的A/D 转换是在工业相机内完成的。

38：如何来保养工业相机？

1.尽量避免将摄像头直接指向阳光，以免损害摄像头的图像感应器件；

2.避免将摄像头和油、蒸汽、水汽、湿气和灰尘等物质接触，避免和水直接接触；

3.不要使用刺激的清洁剂或者有机溶剂擦拭摄像头；

4.不要拉扯和扭转连接线；

5.非必要情况下，自己不要随意拆卸摄像头，试图碰触其内部零件，这容易对摄像头造成损伤，认为损伤经销商是不保修的；

6.仓储时，应当将摄像头存放到干净、干燥的地方。

39：什么是图像采集卡？

图像采集卡又称为图像卡，它将相机的图像视频信号，以帧为单位传送到计算机的内存和VGA帧存，供计算机处理，存储，显示和传输等使用。在机器视觉系统中，图像采集卡采集到的图像供处理器做出工件是否合格、运动物体的运动偏差量、缺陷所在位置等的处理。

40：图像采集卡都有哪些类别？

1. 根据输入信号可分为模拟图像采集卡和数字图像采集卡；

2.根据采集信号颜色可分为黑白图像采集卡和彩色图像采集卡；

【视觉知识】光学系统的像质评价

光学系统的像质评价

在远心镜头、FA镜头等光学系统从设计到投入使用前，至少有两个阶段需要对工业镜头光学系统的成像质量进行客观评价。

第一阶段，是指设计过程中，通过大量的光线追迹和衍射分析，对系统的成像情况进行仿真模拟；第二个阶段，是指工业镜头加工装配后，投入大批量生产之前，需要通过严格的实验来检测其实际成像效果。

因此往往需要多种的评价方法，才能客观全面地反映其实际性能。我们将要介绍五种传统的像质评价方法。

一、瑞利判断与波前图

瑞利判断与波前图都是根据波像差的大小来判断镜头光学系统的成像质量，即实际成像波面与理想波面在出瞳处相切时，两波面之间的光程差就是波像差。波像差越小，成像质量越好。

瑞利判断认为：”实际波面和理想球面波之间的最大波像差不超过λ/4时，此波面可看作是无缺陷的。” 这是一种比较严格的评价方式，所以常用于显微镜与望远物镜这类小像差的光学系统。

波前图是由光线追迹得到实际与理想光线间的光程差，绘制出发生形变的实际波面，即波前图。如图1可以直观了解波前形变的面积以及变形程度。在软件中可以由等高线，灰度差异，波面面型（图1）等多种表示方式。

图1 波面面型波前图

二、中心点亮度与能量包容图

在物方的一个点经过光学系统时，由于像差与衍射的存在，使物点成为一个弥撒斑，其亮度不会集中在一点。中心点亮度和能量包容图，就是根据像方物点能量的分布情况判断系统成像的好坏。

在没有像差的理想光学系统中，物方像点因衍射效应影响会在像方形成一个标准的弥散斑，如图2所示，中心亮斑约占92%的能量，后一级光环约占能量的8%。

图2 无像差衍射亮斑

接着引入像差后，如图3所示，中心亮斑的能量则继续向外扩散，使得中心亮度下降。中心点亮度评价方式是对光学系统成像后，像点在有像差与衍射影响时的实际光斑中心点亮度与不存在像差的理想光斑中心点亮度之比S.D来表示成像质量。当比值≥0.8时，认为光学系统成像是完善的。这也是一种高要求的像质评价标准，只适用于小像差系统的光学系统，如双远心镜头。

图3 有像差衍射亮斑

能量包容图是以高斯像点的形心为圆心画图，此圆形的半径越大，就能包含更多的像点能量，将不同的圆形半径尺寸与归一化像点能量放入坐标内并连成曲线，称为能量包图，如图4所示。黑线代表系统只受衍射影响的像点圈入能量曲线，蓝线代表实际像点的圈入能量。中心点亮度只能获得中心点能量信息，而能量包容图还可以显示能量扩散的范围，可以获得更多信息。

图4 圈入能量图

三、分辨率和点扩散函数

分辨率是反应镜头光学系统分辨物体细节能力的一个重要参数。表示能分辨两个物点的最小距离。瑞利指出：“一个亮点衍射图案中心与另一个亮点的衍射图案的第一暗条纹重合时，这两个点则刚好能够被分辨，如图5所示。

图5 分辨极限

这是对于仅存在衍射效应时所决定的分辨极限。而实际系统还要再加入像差的影响使得分辨率进一步降低。对工业镜头的实际分辨率检测，最常用的方法是直接用工业镜头观察鉴别板上的每毫米线对数，如图6所示。这并不是一种完善的方法，只适用于大像差系统，并且检测结果会受到照明条件或接收器影响。

图6 鉴别率板

对于大像差系统，点扩散函数就可以同时考虑衍射与像差的影响。光学系统的所成的像，可理解成物图像与各点的点扩撒函数卷积的结果。如图7所示，平面XY表示在像平面像点附近的范围，竖直方向表示相对能量值。通过能量的集中程度判断系统的成像质量。

图7 点扩散函数

四、点列图

对于大像差光学系统，利用光线追迹的方法很容易的模拟出物点成像情况。将系统的入射光瞳等面积分成小面元，并把物点穿过每一个面元的中心光线作为通过面元的光能量。如图8所示多组光线通过追迹后与像面的交点情况所模拟成像弥散斑图称为点列图。

利用点列图法来评价大像差系统的成像质量时，通常以集中60%以上的点所构成的图形区域看作有效的像斑，而弥散斑的倒数就是分辨率。利用点列图法来评价成像质量是一种简便直观的评价方式，广泛应用于照相物镜等大像差光学系统中。

图8 中心视野点列图

五、光学传递函数

利用光学传递函数来评价光学系统的成像质量，是把物体看作时由多种频率的谱组成的。物体经过光学系统后，相当于物方频率经过光学系统传递到像方频率，结果是频率不变，但对比度下降，相位推移。并在某一频率对比度降至零。如图9所示，对比度与相位会随频率而改变。而它们之间的函数关系称之光学传递函数。光学传递函数结果同时受到像差与衍射效应影响，因此光学传递函数对光学系统的评价是具有客观和可靠的优点，大像差系统与小像差系统同时适用。

图9 传递函数曲线与空间频率的关系

我们接着只考虑对比度，忽略掉相位变化，则成为了调制传递函数MTF。如图9所示，横坐标表示黑白线对频率即1mm内有多少对黑白线对数，纵坐标表示MTF数值。其数值由公式（1）算得

M与M’分别称为成像前后的光栅调制度，其计算方式（2）

M=（Imax－Imin）/（Imax+Imin）

Imax与Imin分别是物方条纹最亮处与条纹最暗处。那像方的M’也是同理。如果这里不好理解，我们直接理解成对比度就好了。我们再次观察图9发现，随着频率的增加，对比度是逐渐降低的，也就是逐渐无法分辨。另外MTF好坏分辨，对不同的光学系统有不同的要求。如图10三条曲线，比如目视光学仪器而言，MTF要求大于0.03，那么A曲线的分辨能力更高。而B曲线中低频部分的MTF值更大，使得图片会更有层次。