工业机器视觉组成-光源，镜头，图像传感器相机

一、工业机器视觉系统

工业机器视觉系统可分为嵌入式系统与板卡式系统(PC-Based)两类。中国工业机器视觉系统中嵌入式机器视觉系统约占三分之二，PC-Based机器视觉系统占比三分之一。

PC-Based系统很容易与直接连接的相机或图像采集板连接，并得到可配置的机器视觉应用软件的支持。此外，个人电脑提供了丰富的自定义代码开发选项，使用相应的编程语言，如VisualC/C++、Visual Basic和Java，以及图形化编程环境。然而，开发往往是漫长而复杂的，所以通常适用于非标定制设备，并且需要高级机器视觉用户和程序员来开发。

中国工业机器视觉系统由外资企业主导，主要有康耐视，基恩士，欧姆龙，西克和邦纳，其中康耐视和基恩士两家居于龙头领先地位。本土企业非常分散，其中大恒，奥普特，凌华科技和凌云光子等位于前列。

工业机器视觉系统的上游为组成机器视觉系统的零部件，主要包括光源、镜头、工业相机、图像采集卡和平台软件。在上游部件中工业相机的规模最大，平台软件的占比最小。上游部件中，平台软件与镜头的市场集中程度高，由外资主导；工业相机、光源、图像采集卡的本土化程度高，竞争激烈。

二、工业机器视觉核心零部件厂商：

三、零部件简介：

1）光源

打光是成功的机器视觉结果的一个关键。机器视觉系统通过分析物体的反射光来创建图像，而不是通过分析物体本身。照明技术涉及光源及其相对于部件和相机的位置。特定的照明技术可以增强图像，使其否定一些特征而增强其他特征，通过使一个零件的轮廓变得更清晰，从而使该零件变得更漂亮。

* 背光
对于只需要外部或边缘测量的应用场景，背光增强了物体的轮廓。背光有助于检测形状，使尺寸测量更可靠。

* 轴向漫射光
轴向漫射照明将光线从侧面（同轴）耦合到光路中。使用一面半透明的镜子从侧面照亮，将光线向下投射到零件上。该部件通过半透明的镜子将光线反射到相机上，从而形成一个非常均匀的照明和均匀的图像。

* 结构光
结构光是以已知角度向物体投射光型（平面、网格或更复杂的形状）。它对于提供与对比度无关的表面检查、获取尺寸信息和计算体积非常有用。

* 暗场照明
定向照明更容易揭示表面缺陷，包括暗场和明场照明。暗场照明通常是低对比度应用的首选。在暗场照明中，镜面反射光从相机反射出去，来自表面纹理和高程变化的漫射光反射到相机中。

* 亮场照明
亮场照明是高对比度应用的理想选择。但是，高方向性光源（如高压钠和石英卤素）可能会产生尖锐的阴影，并且通常不会在整个视野中提供一致的照明。因此，发光或反射表面上的热点和镜面反射可能需要更漫射的光源，以便在明亮区域提供均匀的照明。

* 漫射穹顶照明
漫射穹顶照明为感兴趣的特征提供最均匀的照明，并且可以掩盖不感兴趣的不规则现象，可能会对场景产生混淆。

* 频闪照明
频闪照明在高速应用中用于冻结移动物体以供检查。使用闪光灯也有助于防止模糊。

2）镜头

镜头捕捉图像并将其传递给相机中的图像传感器。镜头的光学质量和价格各不相同，所使用的镜头决定了所捕获图像的质量和分辨率。大多数视觉系统相机提供两种主要类型的镜头。

可换镜头和固定镜头。可更换的镜头通常是C-卡口或CS-卡口。镜头和镜头的正确组合将获得最佳的图像。作为独立视觉系统的一部分，固定镜头通常使用自动对焦，它可以是一个机械调整的镜头，也可以是一个可以自动对准零件的液体镜头。自动对焦镜头在给定的距离上通常有一个固定的视场。

 

3）图像传感器-相机

照相机捕捉被检查物体的正确照明图像的能力不仅取决于镜头，而且还取决于照相机内的图像传感器。图像传感器通常使用电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，将光（光子）转换成电信号（电子）。从本质上讲，图像传感器的工作是捕捉光线并将其转换为数字图像，以平衡噪音、灵敏度和动态范围。该图像是一个像素的集合。弱光会产生黑暗的像素，而强光会产生较亮的像素。重要的是，要确保相机具有适合应用的传感器分辨率。

分辨率越高，图像的细节就越多，测量也就越准确。零件尺寸、检查公差和其他参数将决定所需的分辨率。

 
2019年机器视觉相机市场份额：

CMOS图像传感器目前在工业视觉市场上占主导地位，拥有92%的市场销售额，而CCD将继续下降，并保持在医疗和国防等小众、高端领域。

    * 像素尺寸的缩小是带来额外性能的基本趋势；
    * 图像传感器在逻辑IC上的堆叠进一步加速了图像处理电路和像素的整合，导致新型芯片的出现；
    * 集成，导致新类型的芯片出现：GS, 3D ToF...
    * 人工智能将是集成的下一个层次
 
 
2019-2020年CMOS图像传感器技术的像素尺寸：

三维相机技术：性能、应用和工艺