工业相机与镜头的参数解释和选型指南

最新推荐文章于 2025-02-13 09:15:00 发布

液压姬

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工业相机与镜头的参数解释和选型指南

【靶面尺寸】（大佬的原文，写的让人豁然开朗）

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通常相机厂商是以英寸的形式表示的，但在实际计算时，需要换算成各边以毫米为单位的计量方式。
在这里插入图片描述

相机的实际靶面尺寸=像元尺寸*相机分辨率
镜头的FOV计算，一般镜头用上述第一个公式；远心镜头用上述第二个公式
镜头参数中的放大倍率即计算公式中的光学倍率
正面打光，有效像素为1个像素；背面打光，有效像素为0.5个像素，即像素精度=FOV/分辨率*有效像素个数

【勇哥的相机镜头选型详细的不得了】：勇哥的视觉实验：工业相机镜头焦距、工作距离、视野等选型的计算

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（一）CCD和镜头的一些术语解释

镜头工作距离（WD）

  一般是指  镜头物方端面 到 被拍摄物体表面 的物理距离。

光源工作距离（LWD）

  一般是指  光源物方端面 到 被照射物体表面 的物理距离。

视场（FOV）

也称视野,是指能被视觉系统观察到的物方可视范围大小

对于镜头而言，可观察到的视场跟镜头放大倍率及相机芯片选择有关。
因此通常建议根据被观察物体的尺寸，先确定所需的视场，再确定相机芯片尺寸及镜头放大倍率。
在实际工程项目中，考虑到机械误差等问题，视场通常要大于待观测物体的实际尺寸。
以确保在机械误差的范围内，物体始终位于视觉系统的可视范围内。

光学放大倍率

   机器视觉行业里提到的镜头光学放大倍率通常是指垂轴放大倍率，即像和物的大小之比，
   计算方法如下：
  光学放大倍率=感光芯片长边/视野长边

可见，光学放大倍率和所选相机芯片及所需视场相关。

如：已知相机芯片为2/3英寸（8.8mm*6.6mm),

视场长宽为：10mm* 8mm。

如用长边计算，放大倍率=8.8mm/10mm=0.88x；

如用短边计算，放大倍率=6.6mm/8mm=0.825x；

此时应取小的倍率0.825x 作为待选镜头的光学放大倍率。
否则，短边视场将不能满足要求。（若取0.88倍，则短边视场=6.6mm/0.88x=7.5mm<8mm）。

在实际工程项目中，通常无需长短边都计算。经验的方法是：若视场接近于正方形或圆形，则取短边计算；若视场为长条形，则取长边计算。

另外，您还可能听到过电子放大倍率和显示器放大倍率两个名词。他们与光学放大倍率相关却不相同，但三者常被混淆，故在此说明。

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。如相机芯片是1/2英寸（对角线为8mm）,显示屏是14英寸，则电子放大倍率= 14*25.4mm/ 8mm=44.45x.

显示器放大倍率是指通过镜头在显示器上呈现的物体的放大倍率。如已指镜头光学放大倍率为0.2x, 相机及显示器的电子放大倍率是44.5x, 则显示器放大倍率=光学放大倍率电子放大倍率=0.2x44.5x=8.89x。

相机芯片尺寸

在前面描述放大倍率和镜头像面尺寸时都涉及到相机芯片尺寸。通常相机厂商是以英寸的形式表示的，但在实际计算时，需要换算成各边以毫米为单位的计量方式。

但有经验的朋友会发现，对于相机芯片尺寸而言，1 inch≠ 25.4mm，而有其特有的换算关系。为方便广大机器视觉从业者进行计算，在此列出常见的相机芯片尺寸对应关系，供参考。

在这里插入图片描述
当然，随着相机芯片的发展，越来越多芯片种类出现。最准确的芯片尺寸计算方法是：相机像素颗数x像素尺寸=芯片尺寸。如某相机分辨率为5120x5120, 像素尺寸为4.5µmx4.5µm, 则芯片为正方形，边长=5120x4.5µm=23040µm=23.04mm。

注意对焦环不是用来调整焦距，而是调整像距，保证清晰图像落在焦平面上。

其次，确定所要达到的视野范围(FOV)和工作距离(WD)，然后根据这两个要求和已知的靶面尺寸计算出工业镜头的焦距(f)。其计算公式为：

	焦距f ＝ WD × 靶面尺寸( H or V) / FOV( H or V)
	视场FOV ( H or V) ＝ WD × 靶面尺寸( H or V) / 焦距f
	视场FOV( H or V) ＝ 靶面尺寸( H or V) / 光学倍率
	工作距离WD = f(焦距）× 靶面尺寸/FOV( H or V)
	光学倍率 ＝ 靶面尺寸( H or V) / FOV( H or V)
	光学放大倍率   =   相机芯片长度 / 视野长边   =  焦距f  /  工作距离WD

（二）计算公式

工业镜头的焦距(f mm)可以根据FOV(视场), WD(工作距离) 和CCD芯片尺寸计算出来:

焦距计算公式

焦距f ＝ WD × CCD芯片尺寸( h or v) / FOV( H or V)

下面是常见的CCD芯片

1.1英寸——靶面尺寸为宽12mm*高12mm，对角线17mm

1英寸 ——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm

2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm 

1/1.8英寸——靶面尺寸为宽7.2mm*高5.4mm，对角线9mm

1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm

1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm 

1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4m



f：镜头焦距 

H: FOV高度尺寸 

V: FOV宽度尺寸

WD：镜头至景物距离 

v:   CCD芯片宽度尺寸 

h： CCD芯片高度尺寸

再来看看工作距离、视野的计算:

视场FOV( H or V) ＝ CCD芯片尺寸( H or V) / 光学倍率
工作距离WD= f(焦距）× CCD芯片尺寸/FOV( H or V)
光学倍率 ＝ CCD芯片尺寸( H or V) / FOV( H or V)

以上参数画图示意如下：

在这里插入图片描述

（三）硬件参数解释

勇哥实验用的相机与镜头的参数如下：

实验用相机参数：

实验用镜头的参数
在这里插入图片描述

视场角

在这里插入图片描述

镜头中有一个参数是：视场角（DHV）如果使用1/2"芯片尺寸的相机的话，其为：51.9°42.5°32.4°

它为和视野大小不是一个概念，它的大小解决了视野大小，见下面的说明：

在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角
在下图中，AOB角就是水平视场角，BOC就是垂直视场角。
在这里插入图片描述
视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。通俗地说，目标物体超过这个角就不会被收在镜头里。

视场角（DHV），其中的H, V上面已经说清楚了。

但是D也是什么呢？如下图左边的示例，它应该是对角线构成的直径视场角（勇哥的理解）

视场角的其它特性如下：

视场角与焦距的关系：一般情况下，视场角越大，焦距就越短。
标准镜头：视角45度左右，使用范围较广。
远摄镜头：视角40度以内，可在远距离情况下拍摄。
广角镜头：视角60度以上，观察范围较大，近处图像有变形。

畸变

镜头在成像时，特别是用短焦距镜头拍摄大视场，图像会产生形变，这种情况叫做镜头的畸变，这是由于镜头的光学结构和成像特性导致的，原因是由于视野中局部放大倍数不一致造成的图像扭曲。拍摄的视场越大，所用的镜头的焦距越短，畸变的程度就越明显，一般有桶型畸变和枕型畸变两种，可以通过图像标定减弱这种平面畸变的影响。

那么上面镜头参数图片中的畸变值是怎么算出来的呢？

景深

景深则是镜头另一个重要的外部参数。它表示满足图像清晰度要求的最远位置与最近位置的差值，景深的计算可能会相对麻烦一些。它与镜头焦距、光圈值、工作距离和允许弥散斑的最大直径有关。由于允许弥散斑的最大直径是个相对量，它的可接受直径很大程度上取决于应用，因此在实际视觉应用中以实验和参考镜头给出的参考值为主。简单的说：

光圈越小，景深越深；

焦距越短，景深越深；

对焦距离（工作距离）越远，景深越深；

这个和我们摄影的经验是一样的。

景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选择高景深的尖端镜头。

在这里插入图片描述