工业镜头选型计算公式_机器视觉镜头篇（一）

忘是亡心i 2023-01-08 02:09 472阅读 0赞

机器视觉-镜头篇(一)

在机器视觉系统中，镜头相当于人的眼睛，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与家用摄像头和照相机的原理是一致的。其基本功能就是实现光束变换(调制)，将目标的光学图像聚焦在图像传感器(相机)的光敏面阵上。视觉系统处理的所有图像信息均通过镜头得到，镜头的成像质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。

若要了解镜头，那么就有必要先了解镜头成像原理-凸透镜成像原理。凸透镜主要对光起会聚的作用，平行于主轴的光线经过凸透镜后会聚于主光轴上一点F，这一点是凸透镜的焦点，穿过透镜的光在一倍焦距f和二倍焦距2f之间的可以成清晰的像。物体到凸透镜的距离为物距。在相机成像系统中，光线穿过镜头打在CCD图像传感器上，图像传感器到镜头透镜中心的距离就是镜头焦距f，被拍摄物体到镜头的距离称为工作距离WD。

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下面对机器视觉工业镜头的相关专业术语做以详解。

** 镜头的分类：**

①按功能分类：

定焦镜头、变焦镜头、定光圈镜头

②按视角分类：

普通镜头、广角镜头、远摄镜头

③按焦距分类：

短焦距镜头、中焦距镜头、长焦距镜头

④按用途分类：

CCTV镜头、远心镜头、显微镜头

**镜头的组成：**

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机器视觉常用定焦镜头，并且基本都是手动调整光圈，镜头上有调焦环和光圈环两个环，为了防止误碰动，工业镜头的两个环都有锁定螺丝。

注意：调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。

工业镜头的接口：

物镜的接口有三种国际标准：F接口、C接口和CS接口。F接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头，当物镜的焦距小于25mm时，物镜的尺寸不大，一般采用C型或CS型接口。

**C和CS型接口的区别：**

C与CS型接口的区别在于镜头与相机接触面(基准面)至相机焦平面(摄像机CCD光电感应器所处位置)的距离，即法兰距不同，C型接口法兰距为17.562mm，CS型接口法兰距为12.5mm。

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C型接口镜头与CS型相机之间增加一个5mm的C/CS转接环可以配合使用，CS型接口与C型接口相机无法配合使用。

**工业镜头的基本参数**

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视场(FOV)：Field of View，即FOV，也叫视野范围，指镜头能观测到的实际范围的物理尺寸。

工作距离(WD)：Working Distance，指从镜头底部到待检物体表面的距离，在该距离下镜头可以清晰成像。最小工作距离是镜头所能够对焦清晰的最小工作距离。当工作距离低于最小工作距离时，成像点位于芯片的上方。在相机与镜头之间增加接圈可以降低最小工作距离。

常见误区：增加接圈并不能直接减小视野，而是通过降低最小工作距离来实现。在不降低工作距离的情况下可以直接减小视野的道具为倍镜。

分辨率：Resolution，又称分辨力、解像力和分辨本领，指镜头可清晰分辨被拍摄物体细节的能力，在像平面1mm内可以分辨开的黑白相间的线条对数，分辨率的单位是“线对/毫米”(lp/mm)。一个镜头有它的分辨率N lp/mm，那至少需要配以2N/mm 个空间采样点。这个可以这样来理解，1mm 内有N 条黑白线对，那么就有N 条白线和N 条黑线总共2N 条线。一个CCD对应一条白线或黑线，那么相机在1mm 内需要有2N 个CCD来对应N 条白线和N 条黑线，相机的CCD密度就是 2N/mm。

一般说的百万像素级的镜头,分辨率为100线对/mm。

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例：上图为分辨率为1/2d，其中，d为线宽。分辨率的单位为lp/mm(线对/毫米)。

景深(DOV)：Depth of View，在景物空间中，位于调焦平面前后一定距离内还能够清晰成像的纵深距离，也就是在聚焦完成后，在焦点前后的范围内都能形成清晰地像，这前后的距离范围，称为景深。景深三要素：光圈大小，对焦远近，焦距长广。

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景深示例图

一般来说，镜头的焦距越短，景深越大；焦距越长，景深越小。对于同个镜头，光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。

焦距：Focal Length，焦距是从镜头的中心点到焦平面(光聚集之焦点)上所形成的清晰影像之间的距离，单位是毫米。(注意！，相机的焦距与单片凸透镜的焦距是两个概念，因为相机上安装的镜头是多片薄的凸透镜组成，单片凸透镜的焦距是平行光线汇聚到一点，这点到凸透镜中心的距离)。焦距的大小决定着视角的大小，焦距数值小，视角大，所观察的范围也大;焦距数值大，视角小，观察范围小。根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。

常见的工业镜头焦距有：6mm、8mm、12mm、25mm、35mm、50mm、75mm等。一般来讲，焦距越小，价格越贵。

镜头实际使用中，往往需要相机标定，标定的主要参数就是相机焦距。对于工业镜头而言，一般都是使用定焦镜头，也就是焦距f通常都是固定的。工业镜头，一般有光圈环、调焦环两个转环，我们使用对焦圈来改变透镜的位置时，其改变的距离有一定的限制，但这并不意味我们使用的是变焦镜头。

光圈：Iris，是一个用来控制光线透过镜头进入机身内感光面光量的装置，在拍摄高速运动物体时候，由于曝光时间短，需要使用大光圈。光圈大小一般用F表示，以镜头焦距f和通光孔径直径D的比值来衡量，即F=f/D。一般通过调整通光孔径D大小来调节光圈，完整的光圈数值系列如下：F1，F1.4，F2，F2.8，F4，F5.6，F8，F11，F16，F22，F32，F44，F64。旋转镜头上的光圈环旋钮，可以调节光圈大小光圈f数值每升高一个等级，意味着通光孔径的面积即进光量降低一半(参考下图)。

(原理传送门：https://blog.csdn.net/excellent\_sun/article/details/87555521)

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光圈的档位设计是相邻的两档的数值相差1.4倍(2的平方根1.414的近似值)相邻的两档之间，透光孔直径相差根号2倍，透光孔的面积相差一倍， 底片上形成的影像的亮度相差一倍，维持相同曝光量所需要的时间相差一倍。

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这里值得一提的是光圈f数越小，通光孔径越大(如上图所示)，在同一单位时间内的进光量便越多，而且上一级的进光量刚好是下一级的两倍。像面上的光强反比于F数的平方，在相同环境下拍摄同一个物体，后一档要比前一档的曝光时间增加一倍 。

例如光圈从F8调整到F5.6 ，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。F5.6的通光量是F8的两倍。同理，F2是F8光通量的16倍，从F8调整到F2，光圈开大了四级。

视场/视场角：视场角是指以镜头为顶点以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野越大，光学倍率越小。

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**放大倍率：**像的大小与物的大小之比。在一个视场中，像的大小充满整个芯片，即

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**最大兼容CCD尺寸：**所有镜头都只能在一定的范围内清晰成像，最大兼容CCD尺寸是指镜头能支持的最大清晰成像的范围。在实践选择相机和镜头时，要注意所选择的镜头的最大兼容CCD尺寸要大于或等于相机芯片的尺寸(深层次理解：①成像为什么都是矩形而不是圆形②镜头靶面选的不合适，为什么周边会有阴影的现象)。CCD芯片尺寸的大小如下图所示：

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注：CCD芯片尺寸比例为4：3，当FOV长边：短边小于4:3时，用短边来计算；大于4:3时，用长边来计算；等于4:3时，长\\短边计算都可以。

镜头畸变：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，一般有枕型畸变和桶型畸变两种，可以通过图像标定减弱这种平面畸变的影响。

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在机器视觉中，尺寸测量是一个比较广泛的应用。在实际测量中，可能会面临一些畸变。畸变是\[工业镜头\]的固有属性，是相差中的一种。虽然随着制造工艺的不断提高，镜头畸变越来越小，但是并不是说镜头的畸变就完全没有了。因此需要注意镜头的畸变。一般来讲，焦距越小的镜头，畸变越大，而长焦距的畸变相对要小。因此在选择镜头时，如果工作距离允许，可以使用长焦镜头。

**一般规律总结：**

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选配镜头的原则：在一个机器视觉项目方案时，为了获得预期的摄像效果，在选配镜头时，应着重注意六个基本要素：(1)明确视野范围；(2) 被摄物体的精度要求；(3) 物距；(4)焦距；(5) CCD摄像机靶面的尺寸；(6) 镜头摄像系统的分辨率。

(相机镜头选型原则后续会更新，敬请期待~)

【需要相关资料及选型咨询可以关注联系我。微信号：gengwen221126】

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