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工业CCD相机的选择总结

创作时间:

作者:

@小白创作中心

工业CCD相机的选择总结

引用

来源

http://www.bilibili.com/read/cv40058900/

工业CCD相机在各种精密检测和自动化生产中发挥着重要作用。选择合适的CCD相机需要考虑多个关键参数，包括靶面尺寸、像元尺寸、放大倍率和镜头焦距等。本文将详细介绍这些参数的概念及其相互关系，并通过具体案例说明如何根据实际需求选择合适的CCD相机。

CCD结构

要想选择一个适合自己需求的工业CCD相机，首先就必须对CCD的结构有一个大致的了解。不然，会被光学放大倍率、相机分辨率、图像分辨率、像素数、像元尺寸、DPI、PPI等概念搞得晕头转向。了解了结构，清楚了这些概念属于那些结构的哪些部分才能容易理解这些概念，并选择出适合自己需求的CCD。其实，平时所说的CCD结构主要是由CCD相机和光学镜头两部分组成，如图1所示。

图 1 CCD的构成

靶面尺寸

CCD芯片是CCD相机成像的“大脑”，它控制着成像的大小、品质。它就长成如图2的样子。为了方便表示芯片的尺寸，行业里约定以CCD芯片的对角线长度来表示，也称之为靶面尺寸。

图 2 CCD芯片的结构

但是靶面尺寸并不是直接通过对角线的长度来表示。而是约定了以对角线长度为16 mm时的芯片的尺寸为1英吋(1’’)，那么不同对角线长度的芯片的叫法就得通过公式来确认。括号表示取整，l的单位为 mm。所以对角线长度为4 mm的CCD芯片通常的被称作1/4’’。图3列出了当前常用的一些CCD芯片的尺寸。值得注意的是目前大多数CCD芯片的宽高比依然是4:3。

图 3 常用CCD芯片尺寸

当然，现在CCD和CMOS芯片发展迅速，也出现了一些不能简单用公式推导的芯片，比如1/2.5’’芯片的对角线长度为7.2 mm，当然它的宽高比也不是严格满足4：3，这可能与芯片的制造工艺有关。

像元尺寸

在了解了CCD芯片的靶面尺寸的概念后，我们再回过头看看CCD芯片的构成。CCD芯片全称是电荷耦合器件图像传感器，它是一种集成电路，在其上排列了整齐的细小的半导体结构（mos电容器），这些结构能感应光线，并将图像转换成数字信号，然后通过相机内部的存储单元进行保存。那这些构成阵列的单个结构就称为光敏元，通常称之为像素单元（像素、像元）。

显而易见，像元尺寸就是单个像素单元的真实尺寸了，通常在μm量级。那靶面尺寸与像元尺寸之间存在着何种关系呢。通过图4进行简单的解释一下。图4中a表示像元，A表示CCD芯片的靶面。a的尺寸即像元尺寸为22 mm×22 mm（当然真实的像元都在微米量级，没这么大），A的尺寸为88×66 mm，那么在横向就会有4个像素单元，纵向就会有3个像素单元。那么在这个CCD芯片上就会有3×4个像素，这个在CCD相机的参数中即为相机的分辨率。所以像元尺寸a与靶面尺寸A近似满足公式，Rs表示相机分辨率。

以海康的MV-CA032-10GM为例，它的像元尺寸是3.45 μm×3.45 μm，靶面尺寸为1/1.8”，相机的分辨率为2448×2048。靶面尺寸为1/1.8”的CCD芯片的长和宽分别为7.2 mm和5.4 mm，根据公式，分辨率与像元尺寸的乘积为7.1 mm×5.3 mm，但是由于芯片的制备工艺以及各个像元之间不是完全紧密排列的，所以结果近似满足。

图 4 像元尺寸与靶面尺寸的关系

放大倍率

放大倍率有光学放大倍率、电子放大倍率以及显示器放大倍率三种。

真实的放大倍率（光学放大倍率）可以通过公式来计算。

其中η表示真实放大倍率，l表示CCD芯片长度，L表示视野范围长边。

电子放大倍率是指当相机上的图片显示在屏幕上时的图像放大倍数。（比如1/2”芯片在14“显示屏上的电子放大倍率是14×25.4mm/ 8mm=44.45×）

显示器放大倍率则是指当在CCD相机上加装了光学镜头时，电子放大倍率再乘上镜头的放大倍率。（加装0.2×光学镜头后，显示器放大倍率是0.2×44.45=8.89×）

以上的三种放大倍率放在一起经常会互相混淆，所以建议以光学放大倍率为准，因为光学放大倍率只与CCD芯片的尺寸和视场有关，是由CCD芯片本身性能决定的，是真实的放大倍率，而其他两种放大倍率还与外部的设备（显示器尺寸、外加镜头倍率）有关。

另外，在使用显微镜进行标定时，通常会用到显微镜标尺。其实，此种场景相当于是知道了显微镜的放大倍率，然后可以反推出显微镜上CCD的一些参数。

比如，利用某光学显微镜得到了一张大小为2048×1536，PPI为72的显微照片，标定时发现156个像素的真实物理长度为100 μm，假设此显微镜此时的放大倍数为50×，CCD相机的分辨率也为2048×1536，那么该CCD的放大倍率应该为多少？

要解决上述问题，首先要了解PPI的概念，PPI（Pixel per inch）也就是单位距离（inch）上的像素个数。与之对应的还有一个我们经常会看到的DPI（Dot per inch）。那二者有何区别，一般来说DPI常用于“设备”参数的扫描中，比如将一台扫描仪的DPI设置为72，这意味着机器在扫描过程中，对每英寸的长度会取72个扫描点（dot）。而PPI常用于“屏幕显示”的描述中，比如PPI为72的图片对应到现实尺度中，屏幕将以每英寸赋予72个像素（Pixel）的方式来显示它。所以在这里解决放大倍率的问题时，显然要用到PPI而不是DPI。

接着回到原来的问题，首先根据图片的分辨率和PPI得出图片的真实物理尺寸（横向分辨率 or 纵向分辨率除以PPI再乘25.4），即28.44 inch×21.33 inch（72.25 cm×54.19 cm）。根据标定长度可以知道，CCD把真实的1μm的物体用1.56个像素来表示，即1.56 Pixel/μm。所以根据CCD的分辨率（CCD的横向分辨率 or 纵向分辨率除以1.56）可以求得真实物体的大小为1312.82 μm×984.62 μm，也可以理解成CCD芯片能看到的真实物体的范围（CCD的视野范围），因为此时没有加装光学镜头。那放大倍率即为（72.25 cm/1312.82 μm或54.19 cm/984.62μm），约为550×，所以相当于CCD相机的光学放大倍率为11×。根据公式，芯片尺寸应该为14.4 mm×10.8 mm，与此最接近的是1.1”芯片，所以此显微镜上CCD的芯片尺寸为14.08 mm×10.56 mm。

镜头焦距

焦距就是从镜头的中心到焦平面（CCD感光芯片）上形成的像之间的距离。要计算镜头的焦距，还需要知道工作距离（WD），即镜头到物体的距离。可以根据图5中的方法来计算焦距。

图 5 焦距计算方法

另外焦距f与光学放大倍率η满足公式：

其中L表示视野范围（FOV）的长边，通常也用H和V分别表示FOV的高和宽。

选择CCD

根据需求选择CCD的流程。首先确定视野范围（FOV），图像的精度（最小能拍到多大尺寸）、工作距离WD，然后选择CCD相机，如果有变焦需求再寻找合适的光学镜头。

比如，现在需要拍摄1.2 mm×0.9 mm范围内的图像，要求精度为0.001 mm，光学放大倍率至少为10×，工作距离大于5 mm，那么应该选择多大尺寸的CCD相机？

首先，（1.2/0.001）×（0.9/0.001）=100万像素，也就是说要达到如此0.001 mm的精度必须至少得100万像素，但是通常不能简单的用一个像素来表示0.001 mm，至少得是3到4倍，所以CCD相机的分辨率必须不低于300万像素。按宽高比4：3的芯片尺寸来看，最低分辨率得为2048×1536。第一步确定了CCD的分辨率。

接着得选芯片的尺寸，首先得确定光学放大倍率即大于10，所以根据公式芯片的长边与视野范围的长边比要大于10，即芯片尺寸大于12 mm×9 mm，所以靶面尺寸1”的芯片（12.8 mm×9.6 mm）满足要求。第二步确定了CCD芯片的尺寸。

下来再确定CCD相机的焦距（选择镜头），因为工作距离大于5 mm，根据公式，则CCD相机的焦距应该大于50 mm，即选择大于50 mm焦距的镜头。

参考文献：