工业镜头模拟成像 技术专题：工业相机的成像原理浅谈

技术专题：工业相机的成像原理浅谈

随着国家十四五规划的开始，未来产业升级及产业结构调整必然还将持续升温，智能制造即将迎来新的机遇和挑战，尤其是长三角和珠三角这些自动化产业比较聚集的地区，无论从人才还是产业结构，以及自动化发达程度都不成多让。

对于智能制造的概念，我这里就不多说了，只有自动化设备加上了机器视觉系统，再加上大数据里面的一些算法，形成的整个数据库，才能称之为完全意义上的智能制造，这里说到的机器视觉就是工业相机为载体的一个集成单元。

我们做自动化的人应该都知道工业相机和CCD，以及我们这里说的机器视觉，这些都是一个东西在不同场合的不同称呼，关于CCD系统，我们之前的一些文章里面也有说到过，基本上包括了这么几个部分：工业相机、光源、软件、采集卡、通信装置、以及搭载软件的电脑和显示器。

我在后面的文章中会一个一个来剖析，今天的专题主要是讲工业相机的成像，要聊一点这一点，我们必须先对工业相机和智能相机这两种有一个基本的认识，我们手机上的相机、在反相机这一些基本上都算是智能相机的一种，那么什么算是智能相机了？

区别智能相机的一个显著特点，就是看它能不能自动对焦，自动对着其实就是通过相机自身对光线的强弱感应，来调整图像与物镜的位置，简单来说就是我相机镜头对到谁，稍微停留上那么两三秒钟，相机就会根据我们镜头对到的这个物品距离镜头自身的远近，调整焦距，从而使得此距离拍摄出来的成像效果为最清晰。

说到这里，有的朋友就会明白，我们用手机拍照的时候为什么不能很快的去拍摄，而要移动到打算拍摄的景物上边，稍作等待，而在拍动态的照片儿的时候，更要先把手机对焦调好，否则我们拍出来的效果就是非常糟糕的。

但是我们的工业相机，一般要求拍摄的速度都是非常快，为什么快呢？因为我们要效率，而且我们工业相机也不需要让他去实时调整焦距，因为我们的产品是重复性的，必须用静焦来拍摄，从而减少相机寻找焦距的时间。

另一个方面就是智能相机，它带有对图像的处理功能，比方说我们拍美颜的时候，都是可以在手机里边儿的一些相关设置进行编辑定义的，说到这里，其实工业相机里面也有这种相机，智能相机功能的延伸性比较差，比方说我们要做视觉定位，那是不可能，用智能相机做，一般简单的尺寸检测和外观检测一般是可以用智能相机的。

对工业相机里面的智能相机就是不需要我们去开发设计软件儿，普通定焦的工业相机，就可以进行软件开发，可以根据自己的需要来开发，如果我们开发了，那我们是要赚的开发设计，或者说软件工程师的，在里面还有一个就是这种开发还跟大数据的算法开发不一样。

大家在使用机器视觉系统的时候，可以针对性的根据自己的实际需求来选用，如果你们家只是做一些检测或者尺寸量测的话可以选用智能相机，只需要稍作操作就行了，不需要专门的软件人员开发。

工业镜头的主要参数对成像质量的影响

在机器视觉系统应用中，好的镜头就相当于人拥有好的眼睛，其作用是将光学图像聚焦在图像传感器的光敏面阵上。一个高质量的工业镜头，在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好的体现，对各种图像的校正也比较好，但其价格也会相应的提高。

在选择工业相机的同时选择合适的镜头，你可能认为自己需要的是高分辨率的相机，但是却没有选择性价比高的镜头去搭配，最后可能在高分辨率相机上浪费钱。一个高性价比镜头，不仅体现在图像效果的层面上，也体现视觉项目的成本预算中。所以，如果我们掌握一些选择镜头的规律和经验，就可以使用同档次的镜头达到更好的效果。

不同类型的工业镜头，成像质量也各不相同；即使类型相同，其成像质量也有着很大的差异，主要是因为镜头材质、加工精度和镜片结构等因素造成的，所以也导致不同档次的镜头价格有着巨大的差异。

行业中一般用光学传递函数OTF （Optical Transfer Function）来综合评价某个镜头成像质量的好与坏，光学传递函数，即光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息，当它在传递被拍物图像数据信息时，被传递为各空间频率的正弦波信号，其调制度和位相在成实际像时的变化，均为空间频率的函数。

像差则是影响图像质量的重要因素，常见的像差有： 

球差：由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经光学折射后，由同一物点散射的光束经过透镜后，不交在同一位置上，以至在主轴上的理想像平面处，形成一个漫射光斑，即此现象称为球差。

慧差：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。 

像散：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。



场曲： 垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直 于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的 成像误差称为场曲。

色差：由白色物体向光学系统发出一束白光，经光学系统折射后，各色光不能会聚于一点上，而形成一彩色像斑，称为色差。



畸变：被拍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。

评价镜头质量时还会从分辨率、明锐度和景深等实用参数判断：

1、 分辨率：又称鉴别率、解像力，指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力，制约镜头分辨率的原因是光的衍射现象，即衍射光斑。

2、 明锐度：也称对比度，是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。

3、 景深：调焦物平面前后的能形成相对清晰影像的实物纵深距离，也就是能获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称为景深。

4、 最大相对孔径与光圈系数：相对孔径，是指该镜头的入射光孔直径（D）与焦距（f）之比，即：相对孔径＝D/ f 。相对孔径的倒数称为光圈系数。

工业镜头质量的好坏，直接影响到图像质量的效果，最终影响到机器视觉系统的整体性能，镜头主要参数对成像质量的影响：

1、焦距大小的影响

焦距越小，景深越大；焦距越小，畸变越大；

焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低。

2、 光圈大小的影响

光圈越大，图像亮度越高；光圈越大，景深越小；

光圈越大，分辨率越高；光圈越大，球差和慧差越严重；

光圈越大，渐晕现象越严重，光场照度越不均匀。

3、图像中心与边缘的影响

图像中心较边缘分辨率高；

图像中心较边缘光场照度高；

像图像中心较边缘畸变小；

4、光波的影响

在相同的相机及镜头参数条件下，视觉光源的光波波长越短，镜头的分辨力越高。所以在精密测量的视觉系统项目中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统稳定性和图像精度有很大的作用。

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