工业相机镜头选型

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1、工业镜头物理接口类型
镜头的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即F型、C型、CS型。F型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头；而当镜头的焦距约小于25mm时，因镜头的尺寸不大，便采用C型或CS型接口。
C接口和CS接口的区别
C与CS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的位置）的距离不同，C型接口此距离为17.5mm., CS型接口此距离为12.5mm.
C型镜头与C型摄像机，CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用。C型镜头与CS型摄像机之间增加一个 5mm的C/CS转接环可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。

2、工业镜头参数
视场(Field of view, 即FOV，也叫视野范围) ：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。（视场范围是选型中必须要了解的）
工作距离(Working Distance,即WD):指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调？包括是否有安装空间等
分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好。
景深 (Depth of view，即DOF)：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力（需要了解客户对景深是否有特殊要求？）
焦距（f）焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。
（需要记住的公式）
f={工作距离/视野范围长边（或短边）}X CCD长边（或短）
焦距大小的影响情况：
焦距越小，景深越大；焦距越小，畸变越大；焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低。

失真（distortion）：（衡量镜头性能的指标之一）
又称畸变，指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。

光圈与F值
光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1.4，f2，f2.8 etc

光学放大倍数
用于计算主要缩放比例的公式如下：
PMAG = 感光芯片尺寸 (mm) / 视场 (mm)

相机参数
相机分辨率
分辨率由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片阵列排列的像元数量，对于面阵相机来说水平分辨率和垂直分辨率相乘即为相机的分辨率。例如
一个相机的分辨率是1280（H）×1024（V），表示每行的像元数量是1280，像元的行数是1024，此相机的分辨率是130万像素。在对同样大小的视场成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。目前常用相机的分辨率有30万，80万，130万，200万，500万等。
使用技巧：
视场，相机分辨率和视觉系统精度的计算
在实际使用时，我们通常需要知道图像单位（像素）和实际物理单位（mm）之间的对应关系，即视觉系统所能达到的精度，
计算公式为：
单方向视野范围大小/相机单方向分辨率=理论精度
例如：视场水平方向的长度是32mm，相机水平分辨率是1600，所以视觉系统精度为32mm/1600像素=0.02mm/像素，表示图像中每个像素对应0.02mm，即为视觉系统的理论精度。
在选择相机，尤其是用视觉进行测量时，为了提高系统的稳定性，通常需要视觉系统的理论精度大于要求的实际精度。
例如：
用视觉系统，测量圆孔的直径，圆孔的大小是4±0.1mm，要求的测量精度是0.02mm，视觉系统水平方向的长度是5mm。
为了提高系统的稳定性，我们选择4个像素对应0.02mm，则视觉系统精度是0.02mm/4像素=0.005mm/像素，所以相机水平方向的分辨率要不小于5mm /0.005mm/像素=1000像素。选择1280×1024分辨率的相机即可满足要求。
像元尺寸
像元尺寸是相机芯片上每个像元的实际物理尺寸，常见的有3.45μm，3.75μm ，4.4μm，4.65μm，6.45μm，7.4μm，9.6μm等。对同型号和同尺寸的芯片，外部光照环境和相机参数设置相同（比如曝光时间和增益等）的情况下，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，所成像的图像越亮。
使用技巧：
通过选择大像元尺寸的相机弥补图像的亮度不足。
在有些使用场合，相机的曝光时间需要设置很短，无法加长；同时光源的亮度也无法再提高，而图像的亮度仍然达不到我们所需要的亮度。
在此时，可以考虑采用更大像元尺寸的相机，来提高感光性，增加图像亮度。
例如采用1/3”，30万像素的CCD相机，在上述的其他条件的制约下，图像仍然不够亮；可以考虑采用1/2”，30万像素的CCD相机，以提高图像亮度。
计算运动物体不产生拖影的曝光时间
在拍摄高速运动物体的场合，选择帧曝光的相机后，还需要计算相机的曝光时间，以使图像不产生拖影，理论的计算原则是：运动物体在相机芯片上所成的像，在曝光时间内，移动的距离不超过一个像元尺寸。
例如：物体运动速度是150mm/s，沿芯片水平方向运动，相机是1/2”芯片（6.4mm×4.8mm），视场水平方向长度是20mm，像元尺寸是4.65μm，计算成像时不产生拖影的曝光时间。首先计算出像的运动速度，放大倍数为6.4mm/20mm=0.32，所以像的运动速度是0.32×150mm/s=48mm/s；根据计算原则，（曝光时间）×48mm/s=4.65μm，所以曝光时间为0.000097s，曝光时间设置为100µs即可
像元深度
数字相机输出的数字信号，对于每一个像元灰度值，都有统一的比特位数，称为像元深度。对于黑白相机来说，像元深度定义灰度由暗到亮的灰
阶数。例如，像元深度是8位的相机，输出的图像灰度等级是2的8次方，即0-255共256级。像元深度是10位的相机，输出的图像灰度等级是2的10次
方，即0-1023共1024级。像元深度越大，固然可以增强测量的精度，但同时也降低了系统的速度，所有我们要谨慎选择。一般工业上都是使用8位的像元深度。

3、远心镜头

远心镜头（Telecentric),主要是为纠正传统工业镜头视差而设计，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会变化，其本质是普通镜头与小孔成像原理的相结合;

4、工业镜头选型案例
案例分析:
已知条件:工业相机型号已经选择好,
具体参数:工业相机芯片尺寸为2/3",C接口，500万像素;
视野是100*100mm, 工作距离:500mm;

根据以上条件,我们来选择合适的工业镜头;
镜头接口: 首先工业镜头要和工业相机接口一致,所以这里也选择C接口;
镜头大小: 遵循镜头大小要大于相机的芯片大小,所以这里镜头尺寸最少支持2/3";
镜头分辨率: 镜头的分辨率要高于相机的分辨率,所以选择5百万像素以上;
焦距: 500(工作距离)× 8.8(芯片水平长度)/ 100(视野)=44mm;
镜头放大倍率: 8.8(芯片水平长度)/ 100=0.088
附加：
一、机器视觉中工业镜头的计算方式
1、WD 物距 工作距离（Work Distance，WD）。
2、FOV 视场 视野（Field of View，FOV）
3、DOV 景深（Depth of Field）。
4、Ho:视野的高度
5、Hi:摄像机有效成像面的高度(Hi来代表传感器像面的大小)
6、PMAG:镜头的放大倍数
7、f:镜头的焦距
8、LE:镜头像平面的扩充距离

二、相机和镜头选择技巧
1、相机的主要参数:
　 感光面积SS（Sensor Size）
2、镜头的主要参数:
　 焦距FL（Focal Length）
　 最小物距Dmin（minimum Focal Distance）
3、其他参数:
　 视野FOV（Field of View）
　 像素pixel
　 FOVmin=SS（Dmin/FL）
　 如：SS=6.4mm，Dmin=8in，FL=12mm pixel=640*480
　 则：FOVmin=6.4（8/12）=4.23mm 4.23/640=0.007mm
　 如果精度要求为0.01mm，1pixels=0.007mm<0.01mm
　 结论：可以达到设想的精度

三、工业相机传感器尺寸大小：（单位：mm）

四、CCD相机元件的尺寸

五、线阵传感器尺寸（单位：mm）

六、公式：
　　分辨率（μm)=0.61（固定值）x0.55（设计波长）÷NA
　 　有效F No=放大倍率/2NA
　 　景深(mm)=2(可接受的模糊圆直径x有效F No÷放大倍率2)
　 　光通量直径（φ）=2NAx物体的高度+视野尺寸（角度）
七、显示器倍率及综合倍率的求法：
　　显示器倍率=显示器英寸数x25.4（1英寸）÷CCD相机对角尺寸
　 　综合倍率=显示器倍率x光学倍率
　 　例：2x光学倍率镜头和1/2’’ CCD相机的组合，在14’'显示器上的影像综合倍率
　　
　 　

八、光学放大率

最后，这个不错的公众号推荐一下。

最最后，附上另外一个不错的博客文章：

工业相机与镜头选型方法（含实例）