工业CCD相机原理知识和参数设定

工业CCD相机的功能及参数设置
工业CCD相机的功能及参数设置
1、同步方式的选择
对单台工业CCD相机而言，主要的同步方式有：内同步、外同步、电源同步及等。

其具体功能如下：
内同步：利用相机内置的同步信号发生电路产生的同步信号来完成同步信号控制；
外同步：通过外置同步信号发生器将特定的同步信号送入相机的外同步输入端，完成满足对相机的特殊控制需要；
电源同步(线性锁定，line lock)：用相机的AC电源完成垂直同步。

对于由多个CCD相机构成的图像采集系统，希望所有的视频输入信号是垂直同步的，以避免变换相机输出时出现的图像失真。

此时，可利用同一个外同步信号发生器产生的同步信号驱动多台相机，以实现多相机的同步图像采集。

2.自动增益控制
CCD相机通常具有一个对CCD的信号进行放大的视频放大器，其放大倍数称为增益。

若放大器的增益保持不变，则在高亮度环境下将使视频信号饱合。

利用相机的自动增益控制(AGC)电路可以随着环境内外照度的变化自动的调整放大器的增益，从而可以使相机能够在较大的光照范围内工作。

3.背光补偿
通常，CCD相机的AGC工作点是以通过对整个视场的信号的平均值来确定的。

当视场中包含一个很亮的背景区域和一个很暗的前景目标时，所确定的AGC工作点并不完全适合于前景目标。

当启动背景光补偿时，CCD相机仅对前景目标所在的子区域求平均来确定其AGC工作点，从而提高了成像质量。

4.电子快门
CCD相机一般都具备电子快门特性，电子快门不需任何机械部件。

CCD相机采用电子快门控制CCD 的累积时间。

当开启电子快门时，CCD相机输出的仅是电子快门开启时的光电荷信号，其余光电荷信号则被泄放。

目前，CCD相机的最短电子快门时间一般为1/10000秒；当电子快门关闭时，对NTSC制式相机，其CCD累积时间为1/60秒；对于PAL制式相机，则为1/50秒。

较高的快门速度对于观察运动图像会产生一个“停顿动作”效应，从而大大地增加了相机的动态分辨率。

同时，当电子快门速度增加时，在CCD积分时间内，聚焦在CCD上的光通量减少，将会降低相机的灵敏度。

5.γ(伽玛)校正
在整个视觉系统中需要进行两次转换：CCD传感器将光图像转换为电信号，即所谓光电转换；电信号经传输后，在接收端由显示设备将电信号还原为光图像，即所谓电光转换。

为了使接收端再现的图像与输出端原图像相一致，必须保证两次转换中的综合特性具有线性特征。

CCD传感器上的光(L)和从相机出来的信号电压(V)之间的关系为V=Lγ。

在一个标准的TV系统中，相机的γ系数为0.45。

对于机器视觉应用，γ系数应为1.0，从而为光和电压之间提供了线性关系。

6.白平衡
白平衡功能仅用于彩色CCD相机，其主要功能是实现相机图像对实际景物的精确反映。

一般分为手动白平衡和自动白平衡两种方式。

CCD相机的自动白平衡功能一般分为连续方式和按钮方式。

处于连续方式时，相机的白平衡设置将随着景物色温的改变而连续地调整，范围一般为2800~6000K。

这种方式适宜于对于景物的色彩温度在成像期间不断改变的场合，可使色彩表现更加自然。

但对于景物中很少甚至没有白色时，连续的白平衡功能不能产生最佳的彩色效果；处于按钮方式时，可先将相机对准白色目标，然后设置自动方式开关，并保留在该位置几秒钟或至图像呈现白色为止。

在执行白平衡后，重新设置自动方式开关以锁定白平衡设置，此时白平衡设置将存储于相机的存储器中，其范围一般为2300~10000K。

以按钮方式设置白平衡最为精确和可*，适用于大部分应用场合。

CCD相机处于开手动白平衡状态时，可通过手动方式改变图像的红色或兰色状况，有多达107个等级供调节。

如增加或减少红色各一个等级、增加或减少兰色各一个等级等。

工业镜头的接口
工业镜头的接口
物镜的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即F型、C型、CS型。

F型接口是通用型接口，一
般适用于焦距大于25mm的镜头；而当物镜的焦距约小于25mm时，因物镜的尺寸不大，便采用C型或
CS型接口。

C接口和CS接口的区别
C与CS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的位置）的距离不同，C型接口此距离为17.5mm., CS型接口此距离为12.5mm.。

C型镜头与C型摄像机，CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用。

C型镜头与CS型摄像机之间增加一个5mm的C/CS转接环可以配合使用。

CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。

工业镜头的基本参数
工业镜头的基本参数
视场(Field of view, 即FOV，也叫视野范围)：
指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。

（视场范围是选型中必须要了解的）
工作距离(Working Distance,即WD)：
指从镜头前部到受检验物体的距离。

即清晰成像的表面距离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调？包括是否有安装空间等）
分辨率：
图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。

在多数情况下，视野越小，分辨率越好。

景深 (Depth of view，即DOF)：
物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力（需要了解客户对景深是否有特殊要求？）
图1: 镜头基本参数示意图
工业相机镜头的其他参数
工业镜头的其他参数
感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。

这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视场非常重要。

镜头主要缩放比例(PMAG) 由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。

虽然基本参数包括感光芯片的尺寸和视场，但PMAG却不属于基本参数。

焦距（f）焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。

亦是照相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。

（需要记住的公式）
f={工作距离/视野范围长边（或短边）}X CCD长边（或短）
焦距大小的影响情况：
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；解析度
表示一组物镜所能见到了2点的最小间隔
0.61x 使用波长(λ)/ NA=解析度(μ)
以上的计算方法理论上可以计算出解析度，但不包括失真。

※使用波长为550nm
解像力
１mm中间可以看到黑白线的条数。

单位（lp）/mm.
MTF（Modulation Transfer Function）
成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度。

失真（distortion）：（衡量镜头性能的指标之一）
又称畸变，指被摄物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。

畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。

光圈与F值
光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。

表达光圈大小我们是用F值，如f1。

4，f2，f2。

8 etc
工业相机镜头各参数间相互影响关系
工业镜头各参数间相互影响关系
光圈大小的影响情况：光圈越大，图像亮度越高；景深越小；分辨率越高；
像场中央与边缘：一般像场中心较边缘分辨率高；像场中心较边缘光场照度高
光波长度的影响：在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力越高。

所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。

光学放大倍数
用于计算主要缩放比例的公式如下：PMAG=感光芯片尺寸(mm)/视场(mm)
图：主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图
显示放大倍数
显示放大倍率在显微中应用非常广泛，被测物体的显示放大倍率取决于三个因素：镜头光学倍率、工业相机感光芯片的尺寸（靶面大小）、显示器尺寸。

显示放大倍率=镜头光学倍率×显示器尺寸×25.4/耙面对角线尺寸。