Basics_Opto-Engineering_2017_CN.pdf工业相机的信号类型有模拟信号和

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详细说明：工业相机的信号类型有模拟信号和数字信号两种。模拟相机必须有图像采集卡，标准的模拟相机分辨率很低，采集到的是模拟信号，经数字采集卡转换为数字信号进行传输存储。工业数字相机采集到的是数字信号，数字信号不受电噪声影响，因此，数字相机的动态范围更高，能够向计算机传输更精确的信号。光学器件何一种镜头的基本用途都是收集物体所故射的光线,并在光敏“传感器”上重现物体的图像(通常基于(CD或CMOS) 选择光学器件时必须考虑泉些参数,包括必须成像的区域的大小(视场)、物体或感兴趣特征的厚度(景深).绕头与物体之间的距离(L作距离),光源亮度以及光学器件类型(远心近心环外侧)等以下列表包括光学器件中必须评估的基本参数视场(FV):可山镜义观察并成像到们机传感器的总面积。工作距离(WD):图像最精准对焦时物体到镜义的距离。景深(D0F):物体能够进行适当对焦的最大范围。传感器尺寸:桁机传感器的有效区域尺寸。这可通过将像索尺寸乘以传感器分辨率 (x和y方向的有源像素数)轻松算出。放大倍单:传感器尺寸和F0V间的比值。分辦:仍可辨识为独立点的网点之间的最小距离。分辨率是一个复杂参数,主要取决厂镜头和相机分辨率 dee.opto-engincering.com 光学器件基础逶镜近似与方程如果接受某项近似,多数光学系统的主要特性可通过若干参数进行计算。近轴近似要求仅考虑与光轴呈较小角度进入光学系统的光线。薄透镜近似要求透镜厚庋远小于透镜表面的曲率半径:因此可忽略透镜实际厚度所引起旳光学α应,并简化光线跟踪计算。此外,假设物体与像空间均处于相同介质(如空气我们可得到基本方程: 1/-1/s=1 工作距薯其中s(s)是物体(图像)相对于镜头的位置,通常由负值(正值)指定,f是光学系统的焦距(见图1)。物休到前端镜头的距离称为工作距离,后镜头到传感器的距离称为后焦距。接下来,我们将介绍一些有用的概念及公式,除非另有说明,否则物体这些概念及公式均基于该简化模型。图1:光学系统的基本参数。相机接口不同的机械安装系统可用于将镜头连接到相机,以确保良好的对焦效果和图像稳定性。接口将通过机制的机械深度(即法兰距)、直径和螺距(如果存在)过行定义。镋头法兰距和相机接口法兰距必须完全相同,否则可能出现对焦问题。由于存在螺纹机制,囚此可根据需要调整后焦距。例如,在 pto Engineering R PCH系列镜头中,需要进行后焦距调节,才能调节对焦以获得不同的视场。 C接口是工业市场中最常用的光学接口。其由17526mm法兰 CS接口是一种更少使用的5mm接口,是C接口的缩短版距进行定义,直径1"(254mm)、32螺纹/英寸。法兰距为12.526mm。CS接口相机与C接口光学器件配合使用时会造成各种问题,当后者被设计为在精确的后焦距下工作时尤其如此。接口 cS接口传感器传感器 17.526mm 12.526m 1”x32螺纹/英寸 1”x32螺纹/英寸图2:C接口机械布局。图3:CS接口机布局。 ceaele.opto-engineering.comm 光学器件 F接口是一种卡口型接口,最早由 Nikon为其35mm式相机而Mⅸxκ接口是由直径(例如M72、M42)、螺距(例如1mm、开发,现仍用干其大多数的数字SLR相机中。F接口通常与较075mm)和法兰距定义的不同类型的相机接口。其通常用于大的传感器配合使用,如全画幅相机或线扫描相机。替换较大传感器的F接口。由于采用卡匚型接口,镜头可轻松换岀,但不能进行后焦距调节。 T接口(T1=M42X10;T2=M42x0.75) 传感器未定义 F接口 M58接口M58x075) 传感器未定义 M58x0.75 M72接口(M72X075) 一传感器未定义 44 mm 图4:F接口机械布局。图5:Mxx接口机械局每种相机妾口通常与特定格式的相机传惑器配合使用。以下列出了最常用的传感器格式。请谨记,这些并非绝对值-即,所列出的具有柞同传感器格式的两台相机的纵横比可能彼此大不相同(即使其传感器对角线相同)。例如, Sony regius IMX250传感器被列为2/3”,有效区域为8.45mmx707mm。 CMOSIS CM∨200o传感器也被列为2/3”格式,但有效区域为1126mm×598mm 2048 px X 10 Hm 2048 px x 14 Hm 4096 px x 7 um 4096pXX10m 7450 px x 4.7 um 6144 px x 7 um 8192 px x7 um 12288 px x 5 Hr 28.6mm 35 mm 57.3mm 62 mm 图6:学见线扫描传感器格式。传感器类型对角线宽度高度 6.000 ∠.300 1/25 7.182 5.760 4.290 80C0 6.400 4.800 118 8933 E.319 11.0n 8.R0 4/3 幅-35mm 1/2.5 4/3 22.500 13.500 画幅 35.00024000 图7:常面扫磁传感器格式图8:面扫描传感器相对尺寸。后焦距调节许多相机并未遵守C接口(17.52mm)的行业标准,该标准定义了法兰到探测器的距离(法兰亞)。除了涉及机械精度的所有问题外,许多制造商并不考虑探测器防护玻璃的厚度,无论该玻璃有多薄,其都仍然是法兰到探测器实际距离的一部分。为此,◎ pto Engineering③远心镜头随附了垫片套件,包括有关后焦距最佳值调节方法的说明。焦距光学系统的焦距用于衡量光学系统汇聚或发散光线的能力。对于常用的光学系统,焦距是从无穷远处射来的平行光线汇聚到一点所经过的距离。如果平行光线汇聚到一个物理点, 镜头将被称作正透镜〔□透镜),但是如昊光线发散,则焦点将是虚点,透镜被称作负透镜(凹透镜,见图9) 机械视觉应用中使用的所有光学器件大体上都是正透镜,即,将入射光线聚焦到传感器平面上。图9:凸透镜(左侧)和凹透镜右侧)。对于机器视觉中所使用的光学系统,远处物体反射的光线被聚焦刭传感器平面,焦距乜可被视为衡量传感器上成像面积大小(视场) 的指标:焦距越长,视场越小,反之亦然(对于某些特定的光学系统并非完全如此,例如天文学和显微镜学中的光学系统)。 f =8 mm f= 25 mm f= 50 mm 图10:焦距和视场。放人倍率和景深光学器件的放大倍率M用于描述图像尺寸(h)与物体尺寸(h) 视场之比 M=hth 工作距离、放大倍率M)和焦距之间的一个有用关系如下 s=f(M-1)/M 微距和远心镜头被设计为在与其焦距相当的距离(有限共轭)工作,而定焦镜头用于使所在位置比焦距更远的物体成像(无限共轭)。因此,可方便地将前者按放大倍率分类,这使得在给定传感11在给定固定作感器尺的情况下,果放大停率增,则视场溶会器和物体尺寸的情况下选择合适的镜头变得史加容易,后者则按减小,反之亦然焦亞分类。由于定焦镜头也遵循先前的方程,因此可在给定放大倍率和工作距离的情况下计算所需的焦距,或者在给定传感器尺寸、视场和焦距的情况下计算所需的工作距离(本部分结尾给出了一些示例)。而对于微距和远心镜头,工作距离和放大倍率通常是固定的。 ceaele.opto-engineering.comm 光学器件 F值及景深象每镜头个光学系统都有孔径光阑,可确定通过光学系统的光量。对于给定的孔径光闸d和焦距f,我们可以计算光学系统的F值 F/#=f/d 射光焦距f 图12:光学系统的孔径。典型的F值有F10、F/1.4、F/2、F/2.8、F4、F/5.6、F/8、F11、F16和F22等。F值每增加一次(孔径更小),入射光线便会减少分之所给出的F值定义适用于定焦镜头,物体位于“无穷远处”(即,远大于焦距的距离)。对于物体位于较近距离的微距和远心镜头, 则使用工作F值WwF/#)。它被定义为 MF#=(1+M)·F# F8是一个常用的F值,因为较小的孔径可能引起衍射极限孔径范围而具有较大孔径的镜头则会更多地受到光学像差和畸变的影响。 ○Oo f2.8 j5.6 8 f11 f16 f22 中孔径小孔径 F值影响光学系统的景渙(DoF),景深是物体在容许对焦情况下的最近位置与最远位置之间的范围。景深是一个相当容易误解的浅景深导深最大景深概念,因为实际上物体空间中有且仅有一个平面共轭于传感器平面。然而,留心散射、像差和像素尺寸后,我们可以基于主观标准,从图像共扼平面定义一个“容许焦距。例如,对于给定的图13:孔径(伯)与景深之间的关系。镜头,需要非常锐利图像的精密测量应用的容许焦距小于粗略目视检查应用的焦距。远心和微距镜头(或微距配置中所使用的定焦镜头)景深的粗略入射光分辨率景深估计由以下公式给出 DF[mm/=WF/#·pLm7·k/M 其中,p是传感器的像素尺寸(以微米为单位)M是镜头放大倍率,k是取决于具体应用的无量纲参数(测量应用的合理值为 0.008,缺陷检测的合理值为0015)。例如,如果使p=55μm 且k=0.015,镜头放大倍率025X且工作F值=8,则景深大致为dof=105mm 图14:入射光F值、分辨率与最深之间的关系。 VII 图像质量在设计机器视觉系统时,必须考虑其在光学参数(视场、景深和分辨率)、像差、畸变和机械特征方面的性能限制。像差像差”是一个广义范畴,包括导致光学系统的运行不同于理想状况的各种主要囚素。有多种囚素使得镜头无法达到其理论性能。物理像差光学材料和光学表面的均匀性是实现光线最佳对焦和正常成灰尘是必定会降低透镜性能的外部因素,因此必须尽可能像的首要要求。显然,实际材料的均匀性存在一个上限避免。这由多种不同因素决定(例如夹杂物),有些因素无法消除球所像差球面镜头(图15)非常常用,因为相对易于生产。然而,球镜头光线面形状不适合于完美成像-事实上,平行光线与光轴呈不同轴距离进入镜头时将汇聚至不同的点,从而导致整体对焦不良。最佳对焦点如同许多光学像差,越靠近镜头边缘,模糊效应越大。为减轻此问题,通常使用非球面镜头(图16)-其表面轮廓不是球体或圆柱体的一吝分,而是能够最大限度降低球面像差的更复杂形状。另一个替代方案是采用较高F值进行工作,以便远离光轴进入镜头并使得发生球面像差的光线无法到达传感器。图15:具有球差的镜头 →镜头光线光轴最佳对焦点图16:非球面镜头。 VIII ceaele.opto-engineering.comm

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