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。

科普篇 工业检测镜头介绍

镜头作为工业相机的眼睛，是机器视觉系统中的一个关键组件,将目标物体的图像聚焦在相机的光敏器件上。系统所处理的所有图像信息均需要通过镜头得到，镜头的质量和选型直接影响到视觉系统的整体性能。

工业镜头成像原理

镜头等同于针孔成像中针孔的作用，不同之处在于，一方面镜头的透光孔径比针孔大很多倍，能在同等时间内接纳更多的光线，使相机能在毫秒到秒级获得适当的曝光；另一方面，镜头能够聚集光束，可以在相机胶片上产生比针孔成像效果更为清晰的影像。

工业镜头构成

工业镜头主要参数

1、焦距

指从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离。镜头焦距的大小决定视场角的大小、拍摄距离、成像范围和景深，常用焦距有8、12、16、25、35、50等。

2、光圈

一个用来控制光线透过镜头，进入相机感光面光量的装置，可以通过加入多边形或圆形，且面积可变的孔径光栅来控制镜头的通光量。

3、分辨率

指镜头可清晰分辨被拍摄物体细节的能力,在像平面以每毫米里面能够分辨黑白对线的数量为计量单位，分辨率越高的镜头成像越清晰。

4、放大倍数

指图像大小与物体大小之比，CCD/FOV,即芯片尺寸除以视野范围。

5、最小工作距离

镜头能够对焦清晰的最小工作距离。

6、景深

在被摄物体聚焦清晰后，位于调焦平面前后一定距离内还能够清晰成像的纵深距离称为景深。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化，与光圈、焦距成反比，与距离拍摄体成正比。

7、视野范围

相机实际拍到区域的尺寸。

8、数值孔径

数值孔径与与分辨率和放大率成正比，数值孔径越大,分辨率越高。

9、后背焦

指相机接口平面到芯片的距离。在线扫描镜头或者大面阵相机的镜头选型时,后倍焦是一个非常重要的参数,直接影响镜头的配置。

10、接口

镜头与相机的连接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。

11、畸变

畸变是镜头在成像时，特别是用短焦镜头拍摄大视场，图像产生的形变。拍摄场景越大，所用镜头焦距越短，畸变程度越明显。

工业镜头分类

1、以焦距分

短焦距镜头：入射角较款，视景宽阔。

中焦距镜头：标准镜头，50mm。

长焦距镜头：入射角较窄，适于远距离监视电动变焦距镜头：通过遥控装置进行光对焦，光圈开度改变焦距。

2、以放大倍率是否固定分

远心镜头：在一定物距范围内得到的图像放大倍率不会变化。

非远心镜头：普通FA镜头。

3、以视场分

标准镜头：视角30度左右，焦距长度接近相机画幅对角长度的镜头。

广角与超广角镜头：视角55度以上，标准镜头<焦距<视角。

变焦镜头：成像清晰的前提下，通过镜头焦距的变化改变视场大小。

鱼眼镜头、反射式镜头、微距镜头、针孔镜头等。

4、以远心类型分

双远心工业镜头、像方远心镜头和物方远心镜头。

5、以接口分

常用包括接口C、CS、F 、V、T2、徕卡、M42、M50等。

工业镜头选型参考

1、 镜头可支持的最大CCD尺寸 应大于等于选配相机CCD芯片尺寸。

2、焦距 的选择，通过相机CCD尺寸、工作距离和视野,计算出所需镜头焦距，并选择视野范围比观测范围稍大的镜头。

3、 镜头光圈 的选择，光圈大小决定图像的亮度,在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中,应该选用大光圈镜头,以提高图像亮度。

4、远心镜头 的选择，远心镜头可以在一定的物距范围内,使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化。

5、 确定C接口/CS接口 ，C接口距离17.5mm，CS接口12.5mm，避免无法合焦。

6、 根据感光器件 大小选择镜头，如2/3寸感光芯片要选择对应成像的镜头，否则容易出现暗角。

7、景深与光环境配合 ，光线充足，配备光源照射的可以选用小光圈，加大景深，提高拍摄清晰度，光线不足的选择大光圈或采用高感光度的感光芯片。

视觉工业检测系统已经在工业生产中必不可少，其中工业相机镜头对于捕捉产品的瑕疵缺陷是很重要的环节也是非常重要的元器件，系统若想完全发挥其功能,镜头必须要能够满足要求才行。

“芯算一体”能够深度理解客户需求，结合多年行业经验，从多方面综合考虑选择合适的相机镜头，使整个系统能够完美高效的运行。

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