(完整版)第7章机器视觉测量系统
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❖ 镜头的视野、景深和焦距示意图
7-2-2 镜头
❖ 基本概念
▪ 成像面：被测物及其背景通过镜头投影到二维图像传感器平 面，一般是长宽比为4:3的矩形；
▪ 视野（Field of View，FOV）：与成像面对应的景物平面范 围；
▪ 工作距离（Work Distance，WD）：被测物到物镜的距离； ▪ 景深：以镜头最佳聚焦WD为中心，前后存在一个范围，在
❖ 光源的颜色差异
中心部有银色涂层的铜框架
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 红外线照明
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 红外线照明
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 紫外线照明
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 偏振光照明
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 背光照明
▪ 漫射式：光源+平板，背面照射； ▪ 凝聚式：使用镜头将光线集中于一个方向； ▪ 黑场：适用于检测透明物体中的裂痕、气泡等。
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 高角度亮场与低角度暗场
光照强、较均匀
光滑表面的文字、伤 痕等纹理检测
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
▪ LED灯：颜色丰富、发光效率高、响应速度快、体积小、发 热小、功耗低、发光稳定、寿命长、易于组成不同形状的光 源，是重要的光源发展趋势。
7-2-1 照明 卤素光源（仪器用）
7-2-1 照明 LED光源（CCS公司）
7-2-1 照明 环形LED光源
7-2-1 照明 照明技术
❖ 正向照明
▪ 镜面：光线直接反射进入镜头； ▪ 离轴照明：光源在镜头轴线侧面、避开了镜面反射； ▪ 半漫射照明：光照较均匀，如环形光； ▪ 漫射照明：光线来自所有方向，镜面反射最少； ▪ 黑场：光线与镜头视线方向垂直。
7-2-2 镜头 选择镜头
❖ 物距WD、放大倍数PMAG和焦距f的关系
PMAG= Sensor Size(mm) Hi Di Field of View(mm) Ho WD
f= WD*PMAG 1+PMAG
利用上式可通过被测物尺寸（Ho）、物距（WD） 和像平面高度（Hi）计算出所需镜头的焦距f。
▪ 镜头上以1/F表示光圈值，光圈每增加一档，光照度增加一 倍；
▪ 光圈越小，景深越长。为了获得较大景深的清晰图像，可以 采取加大光强，减小光圈的方法。
7-2-2 镜头 选择镜头
PMAG：镜头的放大倍数
7-2-2 镜头 选择镜头
❖ 如何选择焦距
WD：工作距离 Ho：视野的高度 Hi：相机有效成 像面高度 PMAG：镜头的放大倍数
7-1 图像传感器
7-1 图像传感器
7-1 图像传感器
视频信号
7-2 图像测量系统
图像采集
控制中枢、图像处理
镜头、图像传感器 照明
7-2-1 照明
❖ 光源 ❖ 照明技术 ❖ 不同光源与照明技术效果举例
7-2-1 照明 光源
❖ 方向
▪ 直射光：入射光基本 上来自一个方向，入 射角小，被照射物体 有阴影；
7-2-2 镜头 选择镜头
❖ 普通镜头选择步骤：
▪ 获得物体至镜头的距离WD，如果是一个范围，取中间值； ▪ 计算图像放大倍数PMAG； ▪ 利用公式计算所需的焦距； ▪ 选取与计算值最接近的标准镜头产品，并取其焦距值； ▪ 根据所选镜头焦距重新核算镜头到物体的距离WD。 举例： 物体至镜头的距离在10cm~30cm范围内，取WD=20cm。 设视场高度为6cm，传感器成像面高度为6.6mm，则镜头放 大倍数为：PMAG=6.6mm/60mm=0.11
现代检测技术 第七章
机器视觉测量系统
精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事
主要内容
•图像传感器
CCD
•图像测量系统
照明、镜头、图像传感器、图像采集、图像处理
•视觉检测的主要应用
尺寸测量、模式识别、目标检测、三维重构…
7-1 图像传感器 CCD摄像器件的性能参数
❖ 灵敏度 ❖ 分辨率 ❖ 信噪比 ❖ 光电转换特性 ❖ 光谱响应 ❖ 暗电流
❖ 偏振光照明
图②镜子上灰尘指印；图③镜子上油脂指印；图 ④光盘上油脂指印
7-28--12-2照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 偏振光照明
小结：思考问题
▪ 1 一个典型的机器视觉图像测量系统包括哪些 环节？
▪ 2 光源的种类有哪些？为了得到更适合于测量 目的的图像，光源的投射方式分别有哪些？
7-2-2 镜头
▪ 光线过强会造成图像饱和，能量浪费以及散热等问题。
❖ 均匀性
▪ 在所有机器视觉应用中，都要求均匀的光照。照射强度会随 距离和角度偏离而减小，需要特别考虑。
7-2-1 照明 光源
❖ 光源的种类
▪ 按发光器件：卤素等、荧光等、LED灯、氙（xian）灯等； ▪ 按几何形状：环形、方形、长条型灯； ▪ 按发光特性：点光源、线光源、面光源等； ▪ 按照射角度：直射、间接、同轴、平行等。
此范围内的物体能够清晰成像，这个范围被称为景深 （Depth of View，DOV） ▪ 焦距
7-28--22-2镜头 选择镜头的关键参数
❖ 物镜的焦距f
▪ f可以短到几毫米，长达数十米； ▪ 变焦距镜头可以通过调节焦距获得不同的放大倍数。
❖ 相对孔径F=D/f（光圈）
▪ D是镜头中光线能通过的有效圆孔直径,即入瞳，D越大，收 集的光线越多；如f = 50mm，D = 8.9mm，则相对孔径F= 8.9/50=1/5.6；
▪ 散射光：入射光来自 多个方向，不会投射 出明显阴影。
7-2-1 照明 光源
❖ 光谱
▪ 光的组成成份，如日光由从紫外到红外的所有光谱组成。 ▪ 取决于光源的类型和光学滤色镜。 ▪ 可见光光谱如图所示：
7-2-1 照明 光源
❖ 强度
▪ 光照强度会影响摄像头的曝光，光线不足会造成对比度降低， 噪声过大；
❖ 从边上的黑场照明
最适合凹凸不平表面及表面缺陷，缺点 是阴影太大。
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 用明视野Hale Waihona Puke Baidu暗视野照明对比
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 用碗状照明消除晕眩光
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 用透射光检查物体的有无
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
7-2-2 镜头
❖ 基本概念
▪ 成像面：被测物及其背景通过镜头投影到二维图像传感器平 面，一般是长宽比为4:3的矩形；
▪ 视野（Field of View，FOV）：与成像面对应的景物平面范 围；
▪ 工作距离（Work Distance，WD）：被测物到物镜的距离； ▪ 景深：以镜头最佳聚焦WD为中心，前后存在一个范围，在
❖ 光源的颜色差异
中心部有银色涂层的铜框架
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 红外线照明
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 红外线照明
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 紫外线照明
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 偏振光照明
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 背光照明
▪ 漫射式：光源+平板，背面照射； ▪ 凝聚式：使用镜头将光线集中于一个方向； ▪ 黑场：适用于检测透明物体中的裂痕、气泡等。
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 高角度亮场与低角度暗场
光照强、较均匀
光滑表面的文字、伤 痕等纹理检测
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
▪ LED灯：颜色丰富、发光效率高、响应速度快、体积小、发 热小、功耗低、发光稳定、寿命长、易于组成不同形状的光 源，是重要的光源发展趋势。
7-2-1 照明 卤素光源（仪器用）
7-2-1 照明 LED光源（CCS公司）
7-2-1 照明 环形LED光源
7-2-1 照明 照明技术
❖ 正向照明
▪ 镜面：光线直接反射进入镜头； ▪ 离轴照明：光源在镜头轴线侧面、避开了镜面反射； ▪ 半漫射照明：光照较均匀，如环形光； ▪ 漫射照明：光线来自所有方向，镜面反射最少； ▪ 黑场：光线与镜头视线方向垂直。
7-2-2 镜头 选择镜头
❖ 物距WD、放大倍数PMAG和焦距f的关系
PMAG= Sensor Size(mm) Hi Di Field of View(mm) Ho WD
f= WD*PMAG 1+PMAG
利用上式可通过被测物尺寸（Ho）、物距（WD） 和像平面高度（Hi）计算出所需镜头的焦距f。
▪ 镜头上以1/F表示光圈值，光圈每增加一档，光照度增加一 倍；
▪ 光圈越小，景深越长。为了获得较大景深的清晰图像，可以 采取加大光强，减小光圈的方法。
7-2-2 镜头 选择镜头
PMAG：镜头的放大倍数
7-2-2 镜头 选择镜头
❖ 如何选择焦距
WD：工作距离 Ho：视野的高度 Hi：相机有效成 像面高度 PMAG：镜头的放大倍数
7-1 图像传感器
7-1 图像传感器
7-1 图像传感器
视频信号
7-2 图像测量系统
图像采集
控制中枢、图像处理
镜头、图像传感器 照明
7-2-1 照明
❖ 光源 ❖ 照明技术 ❖ 不同光源与照明技术效果举例
7-2-1 照明 光源
❖ 方向
▪ 直射光：入射光基本 上来自一个方向，入 射角小，被照射物体 有阴影；
7-2-2 镜头 选择镜头
❖ 普通镜头选择步骤：
▪ 获得物体至镜头的距离WD，如果是一个范围，取中间值； ▪ 计算图像放大倍数PMAG； ▪ 利用公式计算所需的焦距； ▪ 选取与计算值最接近的标准镜头产品，并取其焦距值； ▪ 根据所选镜头焦距重新核算镜头到物体的距离WD。 举例： 物体至镜头的距离在10cm~30cm范围内，取WD=20cm。 设视场高度为6cm，传感器成像面高度为6.6mm，则镜头放 大倍数为：PMAG=6.6mm/60mm=0.11
现代检测技术 第七章
机器视觉测量系统
精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事
主要内容
•图像传感器
CCD
•图像测量系统
照明、镜头、图像传感器、图像采集、图像处理
•视觉检测的主要应用
尺寸测量、模式识别、目标检测、三维重构…
7-1 图像传感器 CCD摄像器件的性能参数
❖ 灵敏度 ❖ 分辨率 ❖ 信噪比 ❖ 光电转换特性 ❖ 光谱响应 ❖ 暗电流
❖ 偏振光照明
图②镜子上灰尘指印；图③镜子上油脂指印；图 ④光盘上油脂指印
7-28--12-2照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 偏振光照明
小结：思考问题
▪ 1 一个典型的机器视觉图像测量系统包括哪些 环节？
▪ 2 光源的种类有哪些？为了得到更适合于测量 目的的图像，光源的投射方式分别有哪些？
7-2-2 镜头
▪ 光线过强会造成图像饱和，能量浪费以及散热等问题。
❖ 均匀性
▪ 在所有机器视觉应用中，都要求均匀的光照。照射强度会随 距离和角度偏离而减小，需要特别考虑。
7-2-1 照明 光源
❖ 光源的种类
▪ 按发光器件：卤素等、荧光等、LED灯、氙（xian）灯等； ▪ 按几何形状：环形、方形、长条型灯； ▪ 按发光特性：点光源、线光源、面光源等； ▪ 按照射角度：直射、间接、同轴、平行等。
此范围内的物体能够清晰成像，这个范围被称为景深 （Depth of View，DOV） ▪ 焦距
7-28--22-2镜头 选择镜头的关键参数
❖ 物镜的焦距f
▪ f可以短到几毫米，长达数十米； ▪ 变焦距镜头可以通过调节焦距获得不同的放大倍数。
❖ 相对孔径F=D/f（光圈）
▪ D是镜头中光线能通过的有效圆孔直径,即入瞳，D越大，收 集的光线越多；如f = 50mm，D = 8.9mm，则相对孔径F= 8.9/50=1/5.6；
▪ 散射光：入射光来自 多个方向，不会投射 出明显阴影。
7-2-1 照明 光源
❖ 光谱
▪ 光的组成成份，如日光由从紫外到红外的所有光谱组成。 ▪ 取决于光源的类型和光学滤色镜。 ▪ 可见光光谱如图所示：
7-2-1 照明 光源
❖ 强度
▪ 光照强度会影响摄像头的曝光，光线不足会造成对比度降低， 噪声过大；
❖ 从边上的黑场照明
最适合凹凸不平表面及表面缺陷，缺点 是阴影太大。
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 用明视野Hale Waihona Puke Baidu暗视野照明对比
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 用碗状照明消除晕眩光
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例
❖ 用透射光检查物体的有无
7-2-1 照明 不同光源与照明技术效果举例