工业视觉基础知识
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一、基础学习
第一节
光源
光源类型
类型
特点
白炽灯
钨丝，色温3000~3400k的连续光谱。优点：相对较亮，可以低压电工作；缺点：发 热严重，寿命短，不能用作闪光灯，老化快，亮度随时间延迟而下降。
氙灯
氙气，色温5500~12000k白光。优点：非常亮，可做成每秒200多次的闪光灯；缺点： 供电复杂且昂贵，几百万次闪光后出现老化。
直接暗视场正面照明
第二节
镜头
成像原理
进光量小，必须通过非常长的曝光时间才能得到亮度足够的图像
镜片折射原理
折射定律
厚镜片成像 一般将镜头wenku.baidu.com作一个厚镜片
光阑、入瞳与出瞳
D：可变光阑（俗称光圈） 基于孔径光阑，定义镜头系统中 两个重要的虚拟光阑：入瞳 （ENP）与出瞳（EXP）。入瞳决 定镜头入口可以接收光线的面积。 入瞳是孔径光阑被其前面的光学 系统在物方所成的像，通常为虚 像。入瞳是物面上所有各点发出 的光束的共同入口，通过入瞳的 光线可以进入到镜头系统中，在 镜头中传播并通过镜头。同样， 出瞳是孔径光阑被其后面的光学 系统在像方所成的像，通常也为 虚像。只有能通过出瞳的光线才 能通过整个光学系统。
像散像差
这是指点没有以点的形状来成像的像差。点如果 出现在越是靠近画面边缘的位置，就会在垂直方 向或水平方向拍出偏离成类似线状的形状，而偏 离方向会分成同心圆 和放射状。当画面四周如 果有很细的直线和横线出现时，直线越清楚则横 线会变得模糊；而横线越清楚的话则直线会变成 模糊，这就是像散像差。
像场弯曲
光与被测物间相互作用
现实中，镜面反射几乎不可能像镜子一样是理想的相反，镜面反射在一定角度 产生较强的波瓣型反射，如下图。
利用照明的光谱
彩色物体反射了一 部分光谱，其他部
分被吸收
红色光源
变暗
变亮
使用合适的照明光 源使其光谱范围正 好是希望看到波长 范围被物体反射， 不希望看到的波长 范围被物体吸收
景深
• 固定放大率时：光圈缩小（增大光圈值），景深增大 • 固定放大率时：光圈增大（减小光圈值），景深减小 • 固定光圈值时：焦距越大（增大放大率），景深减小 • 固定光圈值时：焦距越小（减小放大率），景深增大
远心镜头
• 普通镜头：越近的物体所成的像越大 • 远心镜头：成像不产生形变
镜头的像差
• 之前都是假设在高斯光学中同心光束通过镜头后会聚于一点，而实际情况中 通常是不会发生这种情况的，会有像差。
• 引起像差的原因有好几种，其中最根本的因素就是构成相机镜头的光学镜片 是由球面的一部分制造出来的。由于是球面，镜头中心和周围的入射光折射 率就会不一样，也就无法实现理想的成像。
球面 彗形 像散 像场 畸变 色像 常见像差： 像差 像差 像差 弯曲 像差 差
这是指当对焦时的面以面的形状被记录下来的时 候，在这个面所引起焦点偏离的像差。由于平面 会被拍摄成碗状，所以，将焦点对准画面的中心 处时，画面边缘部分就会被拍成失焦；而焦点对 准画面边缘部分时，中心处就会被拍成失焦。 此像差就算缩小光圈也完全不会有任何改善效果。
畸变像差
四方形的平面没有形成四方形，即没有形成相似 形状的像差。直线会拍成曲线；正方形的被摄体 会形成桶状或者是枕状的变形。镜头组合构成上， 镜片对称的分置光圈两侧，畸变像差比较少；非 对称构成的镜片，则经常发生。
球差：焦点没有全部集中在光线轴上 的一点而出现前后偏移的现象
慧形像差（慧差）
从光轴外的倾斜方向所进入的入射光，没有集中 在像面的一点而拉出彗星尾巴般的扩散现象。由 于在画面边缘部分很明显，会使影像对比度降低。 就连受到彗形像差影响的失焦部分也会出现彗星 状的像差，而这也称为彗形像差。
慧差：斜光线没有集中在像面上的一 点
荧光灯
气体放电光源，产生3000~6000k色温可见光，交流电供电，与供电相同频率的闪烁 。优点：价格便宜，照明面积大；缺点：寿命短，老化快，光谱分部不均匀，不能 用作闪光灯。
发光二极管（LED） 通过电致发光的半导体，产生类似单色光的非常窄的光谱的光，亮度与电流相关， 颜色取决于材料成分，也可以加上涂层。优点：寿命长，可以用作闪光灯，响应速 度快，几乎没有老化现象，亮度容易控制，功耗小，发热小。缺点：性能与环境温 度有关，环境温度越高性能越差寿命越短。
色像差（色差）
• 不同色彩的光线波长也不一样，通过镜头的折射率也会变得不同， 导致焦点所集结的点错开，这就是色差。
• 当出现色差后，成像的性能不但会变差，就连原本不该有的地方 都会出现色彩。色像差分为“位置色像差”与“倍率色像差”两 种。使用长焦镜头时可明显发现位置色像差；使用广角镜头时可 以明显发现倍率色像差。
• 改 善色像差的方法之一是要同时使用性质（折射率等）不同的玻 璃镜片；另外一种是利用光线分散率非常少的特殊玻璃片。特殊 低色散玻璃（ED镜片）以及萤石镜片 等都是特殊镜片。随着工艺 的发展，非球面镜片、纳米镀膜等都使色像差得到了一定的改善， 相信未来技术的发展也会使成像更趋于理想的状态。
第三节
相机
• CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信 号经过放大和模数转换，实现图像的获取.存储、传输.处理和重 现。
传感器种类
CCD
CMOS
CCD
• CCD的英文全称是“Charge- coupledDevice”，中文全称是电行耦 合元件，通常称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够 把光学影像转化为数字信号，CCD上植 入的微小光敏物质称作像 素(Pixel)，一块CCO上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也 就越高。CCD作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字 信号，CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转 变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的 电行转给它相邻的电容。
球面像差（球差）
以镜头是球面构成的观点而言，这是一种无可避 免的像差。通过镜头中心处的光线和通过边缘处 的光线（随着入射位置的差异），由于光线前后 偏移而聚焦成焦点，因此就会将影像拍模糊。从 边缘处所射入的光线会形成光斑，而出现光的扩 散。 通过缩小光圈的方式可以改善球面像差的问题， 但当光圈缩得太小时，有时会引起焦点移动。
第一节
光源
光源类型
类型
特点
白炽灯
钨丝，色温3000~3400k的连续光谱。优点：相对较亮，可以低压电工作；缺点：发 热严重，寿命短，不能用作闪光灯，老化快，亮度随时间延迟而下降。
氙灯
氙气，色温5500~12000k白光。优点：非常亮，可做成每秒200多次的闪光灯；缺点： 供电复杂且昂贵，几百万次闪光后出现老化。
直接暗视场正面照明
第二节
镜头
成像原理
进光量小，必须通过非常长的曝光时间才能得到亮度足够的图像
镜片折射原理
折射定律
厚镜片成像 一般将镜头wenku.baidu.com作一个厚镜片
光阑、入瞳与出瞳
D：可变光阑（俗称光圈） 基于孔径光阑，定义镜头系统中 两个重要的虚拟光阑：入瞳 （ENP）与出瞳（EXP）。入瞳决 定镜头入口可以接收光线的面积。 入瞳是孔径光阑被其前面的光学 系统在物方所成的像，通常为虚 像。入瞳是物面上所有各点发出 的光束的共同入口，通过入瞳的 光线可以进入到镜头系统中，在 镜头中传播并通过镜头。同样， 出瞳是孔径光阑被其后面的光学 系统在像方所成的像，通常也为 虚像。只有能通过出瞳的光线才 能通过整个光学系统。
像散像差
这是指点没有以点的形状来成像的像差。点如果 出现在越是靠近画面边缘的位置，就会在垂直方 向或水平方向拍出偏离成类似线状的形状，而偏 离方向会分成同心圆 和放射状。当画面四周如 果有很细的直线和横线出现时，直线越清楚则横 线会变得模糊；而横线越清楚的话则直线会变成 模糊，这就是像散像差。
像场弯曲
光与被测物间相互作用
现实中，镜面反射几乎不可能像镜子一样是理想的相反，镜面反射在一定角度 产生较强的波瓣型反射，如下图。
利用照明的光谱
彩色物体反射了一 部分光谱，其他部
分被吸收
红色光源
变暗
变亮
使用合适的照明光 源使其光谱范围正 好是希望看到波长 范围被物体反射， 不希望看到的波长 范围被物体吸收
景深
• 固定放大率时：光圈缩小（增大光圈值），景深增大 • 固定放大率时：光圈增大（减小光圈值），景深减小 • 固定光圈值时：焦距越大（增大放大率），景深减小 • 固定光圈值时：焦距越小（减小放大率），景深增大
远心镜头
• 普通镜头：越近的物体所成的像越大 • 远心镜头：成像不产生形变
镜头的像差
• 之前都是假设在高斯光学中同心光束通过镜头后会聚于一点，而实际情况中 通常是不会发生这种情况的，会有像差。
• 引起像差的原因有好几种，其中最根本的因素就是构成相机镜头的光学镜片 是由球面的一部分制造出来的。由于是球面，镜头中心和周围的入射光折射 率就会不一样，也就无法实现理想的成像。
球面 彗形 像散 像场 畸变 色像 常见像差： 像差 像差 像差 弯曲 像差 差
这是指当对焦时的面以面的形状被记录下来的时 候，在这个面所引起焦点偏离的像差。由于平面 会被拍摄成碗状，所以，将焦点对准画面的中心 处时，画面边缘部分就会被拍成失焦；而焦点对 准画面边缘部分时，中心处就会被拍成失焦。 此像差就算缩小光圈也完全不会有任何改善效果。
畸变像差
四方形的平面没有形成四方形，即没有形成相似 形状的像差。直线会拍成曲线；正方形的被摄体 会形成桶状或者是枕状的变形。镜头组合构成上， 镜片对称的分置光圈两侧，畸变像差比较少；非 对称构成的镜片，则经常发生。
球差：焦点没有全部集中在光线轴上 的一点而出现前后偏移的现象
慧形像差（慧差）
从光轴外的倾斜方向所进入的入射光，没有集中 在像面的一点而拉出彗星尾巴般的扩散现象。由 于在画面边缘部分很明显，会使影像对比度降低。 就连受到彗形像差影响的失焦部分也会出现彗星 状的像差，而这也称为彗形像差。
慧差：斜光线没有集中在像面上的一 点
荧光灯
气体放电光源，产生3000~6000k色温可见光，交流电供电，与供电相同频率的闪烁 。优点：价格便宜，照明面积大；缺点：寿命短，老化快，光谱分部不均匀，不能 用作闪光灯。
发光二极管（LED） 通过电致发光的半导体，产生类似单色光的非常窄的光谱的光，亮度与电流相关， 颜色取决于材料成分，也可以加上涂层。优点：寿命长，可以用作闪光灯，响应速 度快，几乎没有老化现象，亮度容易控制，功耗小，发热小。缺点：性能与环境温 度有关，环境温度越高性能越差寿命越短。
色像差（色差）
• 不同色彩的光线波长也不一样，通过镜头的折射率也会变得不同， 导致焦点所集结的点错开，这就是色差。
• 当出现色差后，成像的性能不但会变差，就连原本不该有的地方 都会出现色彩。色像差分为“位置色像差”与“倍率色像差”两 种。使用长焦镜头时可明显发现位置色像差；使用广角镜头时可 以明显发现倍率色像差。
• 改 善色像差的方法之一是要同时使用性质（折射率等）不同的玻 璃镜片；另外一种是利用光线分散率非常少的特殊玻璃片。特殊 低色散玻璃（ED镜片）以及萤石镜片 等都是特殊镜片。随着工艺 的发展，非球面镜片、纳米镀膜等都使色像差得到了一定的改善， 相信未来技术的发展也会使成像更趋于理想的状态。
第三节
相机
• CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信 号经过放大和模数转换，实现图像的获取.存储、传输.处理和重 现。
传感器种类
CCD
CMOS
CCD
• CCD的英文全称是“Charge- coupledDevice”，中文全称是电行耦 合元件，通常称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够 把光学影像转化为数字信号，CCD上植 入的微小光敏物质称作像 素(Pixel)，一块CCO上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也 就越高。CCD作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字 信号，CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转 变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的 电行转给它相邻的电容。
球面像差（球差）
以镜头是球面构成的观点而言，这是一种无可避 免的像差。通过镜头中心处的光线和通过边缘处 的光线（随着入射位置的差异），由于光线前后 偏移而聚焦成焦点，因此就会将影像拍模糊。从 边缘处所射入的光线会形成光斑，而出现光的扩 散。 通过缩小光圈的方式可以改善球面像差的问题， 但当光圈缩得太小时，有时会引起焦点移动。