工业镜头、相机的结构、参数解释及选型指南

提示：本文参考了网上其他相关文章，如有侵权，请联系作者。

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前言

       工业相机和镜头是视觉系统中的重要组成部分。选择合适的相机和镜头是构建一套高性价比视觉系统的基础和关键。因而作为一名视觉从业人员，必须具备相机和镜头方面的基础知识，为选型和系统设计提供理论支撑。

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一、镜头的工艺制作原理

       为什么需要镜头？镜头等同于针孔成像中针孔的作用，所不同的是，一方面镜头的透光孔径比针孔大很多倍，能在同等时间内接纳更多的光线，使相机能在很短时间内（毫秒到秒级）获得适当的曝光；另一方面，镜头能够聚集光束，可以在相机胶片上产生比针孔成像效果更为清晰的影像；
       任何物体都是内部结构和外部形状的有机结合，两者缺一不可。一颗镜头也具备这样的特质。首先，从镜头的内部结构来讲，镜头里包括组合结构的多枚透镜、光圈。透镜组包含不同种类，厚薄不一的透镜，但是镜头的成像品质并不与内部透镜的多少有关系。在某种程度上，单一透镜的定焦头的成像质量更好。光圈在镜头内部是用来控制进光量的多少的装置。光圈由多枚叶片构成一个圆形卡口，通过光圈叶片的开合控制图像感应器接收的光亮量。
       其次，镜头的外部配有变焦环、对焦环、对焦距离等设置。变焦环是针对变焦镜头而言的，定焦镜头没有变焦环，调节变焦环可改变镜头视角，画面景别可自由变换。对焦环被调节时，内部镜头相应移动，可实现对焦。对焦距离，不同焦段或焦段区间的镜头都有对焦距离参数，这些参数都会被印刷在镜头上。在拍摄中，需要记住每一个镜头的最小对焦距离，过于凑近被摄物至超出最小距离将无法对焦。

1.镜头组成部分

       镜头内部的东西一般不需要用户考虑。你还记得以前的录像机上都贴有“严禁用户自行维修”的标签吗？这一点对大部分——如果不是全部——镜头也同样有效。你唯一需要了解的事情是，镜头内部各有不同数量和功能的镜片。
       镜片中有些是固定在镜筒上的，有些则是可移动的。镜头头有可移动镜片（组）的主要原因是为了实现对焦、变焦或光学防抖。

       镜头外部有很多不同的开关和标识。不同厂家的镜头外观看起来会有很大不同，不过上图中标出了主要的镜头标识。你能在镜头上发现的主要的开关是“MF/AF”切换键——用来在手动对焦和自动对焦之间切换。

2.什么是焦距？

       焦距，即焦长，是平行光入射时，从透镜光心到光线聚集之焦点的距离。在相机中，焦距是从镜片中心到底片或是CCD等成像平面的距离。为什么焦距很重要？镜头的焦距决定了视场，也就是镜头能够拍到多“宽”的画面。短焦距会产生较宽的视场——这就是短焦距镜头被称作“广角”镜头的原因。反之也成立：长焦距产生较窄的视场，这类镜头被称作“长焦”镜头。

       有必要说明的是，凸透镜有两个焦点，分别在主光轴的两侧。在相机上，焦距以毫米为单位。比如35毫米镜头指的是镜头的焦距为35毫米。镜头的焦距决定了该镜头拍摄的被摄物体在成像平面上所形成影像的大小。假设以相同的距离面对同一被摄体进行拍摄，那么镜头的焦距越长，则被摄体在胶片或影像传感器上所形成的影像的放大倍率就越大。

3.焦距与镜头厚薄的关系？

       焦距越大，透镜越薄。焦距越小，透镜越厚。广角镜头中的透镜较厚，长焦镜头中的透镜较薄。

4.焦距与镜头角度的关系？

       焦距越大，透镜越薄，镜头角度越小；焦距越小，透镜越厚，镜头角度越大。
       物距相同，成像范围相同，长焦距的镜头，镜头角度小；物距相同，成像范围相同，短焦距的镜头，镜头角度大。

5.工业镜头焦距/倍率

       工业镜头经常提到的一个参数就是焦距了，也有叫视场角的。焦距是衡量镜头功能的最基本参数，但并不是所有镜头都是用焦距来描述的。镜头从视场角来分，可以分为三类：普通镜头、远心镜头、显微放大镜头，其中只有普通镜头是用焦距来描述，其他的都是用倍率来描述的，下图展示了三类镜头对应的视场角/焦距情况。

       远心镜头和显微镜头的使用相对简单，基本都是在不同的工作距离下，显示不同的倍率。但是对于普通镜头来说，还涉及到聚焦和变焦两个概念，下图展示的就是“变焦”和“聚焦”的不同。

6.定焦镜头与变焦镜头

       早期的镜头都只有单一的焦距，但后来聪明的工程师开始思考：如果一支镜头能有不同的焦距该多好？换句话说：如果只用一支镜头就既能拍摄近处较大的物体（比如建筑和风光），又能拍摄远处较小的物体（比如足球场上的运动员）那该多好？
       科学家们研究出一种改变镜头结构的方法，因此可以改变镜头的节点靠近或远离传感器。通过这种方法，他们发明了变焦镜头。当变焦镜头诞生后，就需要一个名字来称呼不可变焦的镜头——定焦镜头。

二、工业镜头的基本参数

1.工业镜头的接口

       物镜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；而当物镜的焦距约小于25mm时，因物镜的尺寸不大，便采用C型或CS型接口。

       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.工业镜头的光学尺寸

       镜头光学尺寸指的是镜头最大能兼容多大CCD芯片尺寸，相机之所以能成像是因为镜头把物体反射的光线打到了CCD芯片上面。直白点说就是镜头的镜片直径（严格的说叫设计相面尺寸）要大于CCD芯片尺寸。一般常见镜头的相面尺寸有1/3英寸、1/2英寸、2/3英寸、1英寸等，其中1/3英寸和1/2英寸常用于监控行业，成本较低，分辨力也较低。下图是各种相面尺寸对应的实际尺寸。镜头光学尺寸选择的依据是镜头相面尺寸大于等于CCD尺寸即可。

3.工业镜头的基本参数

       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）。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。
       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）。
       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。
       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。焦距越长,景深越小;焦距越短,景深越大。距离拍摄体越近时,景深越小;距离拍摄体越远时,景深越大。
       焦距短，成像的景物越多，照片上的视野越广，容许弥散圈比较大。画出前景后景反射的光在焦点处的前后位置，这个时候焦深就出来了，焦深对应的景深的相对位置确定。具有短焦距的光学系统比长焦距的光学系统有更佳聚集光的能力。
       焦距越长，最后生成的照片上的物体是越大的，这个时候容许弥散圈的直径越小。画出前景后景反射的光在焦点处的前后位置，这个时候发现焦深相比焦距短的镜头形成的焦深要短，对应的景深也就比较浅。

       下图是海康威视MVL-HF0828M-6MPE镜头。

       海康威视MVL-HF0828M-6MPE镜头技术参数如下图所示。

4.工业镜头的其他参数

       感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视场非常重要。镜头主要缩放比例(PMAG) 由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸和视场，但PMAG却不属于基本参数。
       焦距（f）：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）}XCCD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。
       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等等。光圈越大，图像亮度越高；景深越小；分辨率越高。大光圈和小光圈是相对的定义，大光圈指的是叶片打开，增加了镜头的进光量，景深比较浅，简单来说就是除了对焦的物体，其他照片其余部分会呈现出一种虚化的效果；适合拍摄人像、花卉、小摆件等。小光圈指的是镜头叶片收窄，缩小了镜头的进光量，实现景深比较深的效果，对焦可以设置为无限远，这样适合在拍摄比较大规模的场景，或者是合照的时候使用。大光圈代表着光圈的f值最小，小光圈的f值最大，我们要牢记光圈的大小调节和设置的f值的大小是相反的，大光圈小数值，小光圈大数值。

       视场角：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。

       视场角与焦距的关系：一般情况下，视场角越大，焦距就越短。以下列举几个实例：长焦距镜头视场角窄于40°，例如：镜头焦距2.5 mm，视场角为 45°左右。镜头焦距5.0 mm，视场角为 23°左右。镜头焦距7.5 mm，视场角为 14°左右。镜头焦距10 mm，视场角为 12°左右。镜头焦距15 mm，视场角为 8°左右。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。

       光波长度的影响：在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。
       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)

5.工业镜头分类

       远心镜头特性：物方远心镜头可以消除透视畸变，像方远心镜头可以获得更好的像面照度的均匀性。

6.工业镜头各种参数计算方法

       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=像元尺寸/精度
       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（8.8mm6.6mm)，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。
       此处待验证：远心镜头放大倍率＝芯片尺寸长边÷FOV长边（注意：当视野长宽比＜芯片的长宽比时，需要用短边计算）

       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)
       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
       此处待验证：CCTV镜头焦距：焦距f＝WDx（芯片尺寸长边÷FOV长边）（注意：当视野长宽比＜芯片的长宽比时，需要用短边计算）

       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)。

三、工业相机

       工业相机与手机上的相机或者单反相机不一样，它可以应用于各类恶劣的工作环境，比如高温，高压，高尘等。

1.面阵相机与线阵相机

       相机按传感器的像素排列方式分，可以分为面阵相机和线阵相机。
       面阵相机是将图像以整幅画面的形式输出。一般需要直观地表达整个场景画面时可以选择面阵相机，如需要识别物体、进行空间测量及静态物体特征检测的场合。常用的应用领域如交通运输、安全监控、医疗检测等。
       线阵相机主要用于检测精度要求很高，运动速度很快的场景，非常适合检测图像区域是条形或者高速运动的物体，可用于检测工业高速传送带上的对象。
       线阵相机：它的传感器只有一行感光元素，因此使高扫描频率和高分辨率成为可能。线阵相机的典型应用领域是检测连续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等。被检测的物体通常匀速运动 , 利用一台或多台相机对其逐行连续扫描 , 以达到对其整个表面均匀检测。可以对其图象一行一行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图象进行处理。另外线阵相机非常适合测量场合，这要归功于传感器的高分辨率 , 它可以准确测量到微米。一般只在两种情况下使用这种相机：一、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题；二、需要极大的视野或极高的精度。
       在第二种情况下（需要极大的视野或极高的精度），就需要用激发装置多次激发相机，进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图象，合并成一张巨大的图。因此，用线阵型相机，必须用可以支持线阵型相机的采集卡。 线阵型相机价格贵，而且在大的视野或高的精度检测情况下，其检测速度也慢。一般相机的图象是 400K～1M，而合并后的图象有几个M这么大，速度自然就慢了。慢功出细活嘛。由于以上这两个原因，线阵相机只用在极特殊的情况下。

2.CCD相机与CMOS相机

       cmos 成像器的特点是体积小重量轻，使用时的功耗较小，性能比较稳定，寿命也比较长，有很好的抗冲击和抗震动的效果。而且其灵敏度较高，噪声比较小，反映的速度也很快，对图像处理后，图像的变形量较小，不会出现残相。还有就是它适合大规模的集成生产，生产成本也比较低。
       ccd 成像器的特点是 , 它有着非常高的集成性，照片的读取速度也很快，但是他的噪音比较大，再加上 ccd 图像传感器中的集成度比较高，内部的各元件的距离很近，所有会相互干扰，对相机的成像质量造成一定的影响。
       再来说一下两者的本质区别。
       从结构上来说， cmos 的结构是比较简单的，所以生产成本不会太高，而且它要比 ccd 的反应更加快、更加省电，这就是为什么很多低档入门级相机都会选择 cmos 芯片的原因了，普通的 cmos 的分辨率和成像效果是比较差的。但高端一些的 cmos 的成像效果却不会比 ccd 低出多少，大家不要以点带面。
       从两者的工作原理来看， ccd 的优势在于成像质量比 cmos 的好，但缺点也很明显，它的工艺太过复杂，能够掌握其技术的厂商是少之又少，所以价格注定不会便宜，尤其是一些大型 ccd 元件，价格更是高的令人难以接受。所以现在的相机市场上，高端相机一般都是以使用 ccd 的成像器，来彰显身份和地位。
       而cmos成像器最大的优势就是省电了，同样的电池，同样的配置， cmos 能够比 ccd 多使用 1-2 个小时，因为有它只有在电路接通的时候才会消耗电，而 ccd 却每时每刻都在耗电，所谓的 “电老虎”说的就是它。
       在选购相机时可以向专业人士咨询更详细的ccd和cmos解释。笔者的看法是，根据项目的应用需求进行选择。例如，在弱光低速的检测环境下可以选择ccd，有助于获得更丰富的图像细节；若追求高性价比、高成像速度和成像质量，可以选择新式的cmos。

3.黑白相机与彩色相机

       相机按色彩分，又可以分为黑白相机和彩色相机。机器视觉使用的相机，除了需要检测颜色的情况外，一般选黑白相机更高效。因为图像处理多数是在黑白图像上进行的，即使采集了彩色图像，输入到软件处理模块后也要先转为黑白，再进行后续处理。因此，可以直接选择黑白相机。

4.面阵相机参数

       面阵相机的选型可考虑以下几个因素。
       1）、帧率：单位是fps，指每秒钟采集的图像帧数。值得注意的是，相机的理论帧率与实际帧率仍有差别，这个数值会受到图像分辨率、曝光时长等多个因素的影响。因此，选择帧率的时候，也要考虑到其他因素的影响。
       2）、分辨率：指单幅画面包含的像素数，一般用水平像素数乘以垂直像素数来表示。像素越高，画面越精细，但文件也越大。
       3）、接口：指数据传输接口。应结合实际传输距离、速率要求、系统类型、成本等多个因素综合考虑，可选择 Camera Link、GigE、USB 3.0或硬件接口。
       4）、靶面尺寸：指图像传感器的尺寸，如1／2＂、1／3＂、2／3”等。在分辨率固定的情况下，靶面尺寸越大，传感器的面积越大，图像的质量越好。靶面尺寸应与镜头匹配。
       5）、黑白／彩色：根据图像处理的需求和传输需求选择是否需要用彩色。
       6）、感光芯片类型：CMOS或CCD，根据需要选择。
       7）、像元尺寸：指每个像素的实际大小。靶面尺寸固定的情况下，像元尺寸越小，水平或垂直方向的像素就越多，分辨率越大，画质越清晰。像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。目前工业数字相机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。
       8）、快门：指曝光的方式，可选的如全局快门（Global Shutter）和滚动快门（Rolling Shutter）。前者是全局曝光，后者是逐行曝光。如果拍摄高速运动的物体，可以选全局快门，因为逐行曝光的滚动快门会产生畸变；如果拍摄静态的或低速的物体，可以选择滚动快门。
       9）、光谱响应特性（Spectral Range）：是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是 350nm－1000nm，一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉。

四、光源的选择与分类

1.光源选择标准

       光源的选择标准如下：
       1）、光源均匀性要好，在有效的照射范围内，灰度值标准差要小；
       2）、具有较宽的光谱范围，可以对不同材料的物体进行检测；
       3）、光照强度要足够，提高信噪比，利于图像处理；
       4）、具有较长的使用寿命及较高的稳定性，要保障光源在长时间运行状态下能够持续稳定的提供照明环境；
       5）、成本低，易根据现场情况定制特殊形状光源

2.光源分类

       光源分类如下：

3.光源波长的影响

       在相同相机镜头参数条件下，光源波长越短，得到的图像分辨能力越高。所以需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波的单色光作为照明光源，可以提高系统精度。

五、视觉系统选型指南

       机器视觉系统中，镜头相当于人的眼睛，其主要作用是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，镜头的质量直接影响到视觉系统的整体性能。一旦信息在成像系统有严重损失，在后面的环节中试图恢复是非常困难的。合理选择镜头、设计成像光路是视觉系统的关键技术之一。

1.工业镜头参数识别

       下图为6mm焦距镜头，最大光圈1.4，感光元件尺寸2/3’'。

       下图中的“m ∞ 0.7 0.3 0.2 0.1”就是你拍摄的景物能成清晰像的范围。如果你的摄像机要拍摄距离镜头0.1m范围内的场景，你会发现不管怎么调都拍不出清晰的场景来。无限远到0.1米是对焦距离。
       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。

2.镜头选择要点

       对镜头的选择，我们首先必须先确定客户需求：
       1、视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头，以有利于运动控制。
       2、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。
       3、芯片大小和相机接口 ：例如2/3”镜头支持最大的工业相机耙面为2/3”,它是不能支持1英寸以上的工业相机。
       4、注意与光源的配合，选配合适的镜头 。
       5、可安装空间：在方案可选择情况下，让客户更改设备尺寸是不现实的。

3.镜头选择实例

       1）、已定相机选择镜头：已知客户的镜头的尺寸是1/3’'，接口是CS接口，视野大小为12×10mm，要求精度为0.02mm，则应该选用多大分辨率相机？
       计算方法：(12/0.02)×(10/0.02)=30万像素，但是如果是缺陷检测通常不会只用一个像素表示一个精度，而是乘以3-4倍，即30×4=120万像素。最低不少于120万像素。
       2）、已知客户要求的系统分辨率为0.06mm，像元（相机像素尺寸）大小为4.7um，工作距离大于100mm，光源采用白色LED灯，那么需要多少焦距的镜头？
       计算方法：
       a：客户如果没有变焦要求，选择定焦镜头就可以；
       b：如果带有测量功能的尽量用畸变小的镜头或者远心镜头；
       c：焦距计算：
       成像放大倍率M=4.7/(0.06×1000)
       焦距f=L×M/(M+1)
       注意：镜头的成像像面要大于等于CCD尺寸，镜头的接口和相机配合

4.工业镜头分辩率对高清工业相机成像的影响

       通常高清图像采集，想要达到预期的高清效果，只有高清工业相机是不够的，高清工业镜头也是整个系统所不能缺少的。
       在安防行业，我们常常会听到一些厂家在做产品宣传时说他们的产品已达到了500万像素、800万像素甚至1400万像素、2900万像素，与监控行业常见的高清200万、300万有着极大的差距。且不管这些像素是真的做到还是通过插值得来，我们可以先看看产品的效果到底有没有那么明显。
       高清工业镜头：在看镜头像素是多少时我们还应注意一个要素—传感器的尺寸（或者说是像素大小）。对于同样像素的传感器，传感器的大小决定了其单个像素的大小，也就决定了成像的清晰程度。
       举例来说，市面上我们常见的500万像素工业相机大多对应2/3"（1"）传感器，2/3"传感器对应成像规格为8.8mm×6.6mm，粗略估计单个像素点的大小大概为3.4μm×3.4μm；而常见300万像素产品大多只有1/3"（1/2"）大小，1/3"传感器对应成像规格为4.8mm×3.6mm，同样可算得单个像素点的大小大概是2.4μm×2.4μm。由此，300万像素传感器与500万像素传感器相比，总像素虽然相差了近一倍，但是由于传感器面积小了一倍，单个像素小了1μm，而也这正是影响整个画面清晰度的重要因素。
       由此得出，图像的清晰度不只是看总像素，也不是单看工业摄像机或者传感器，而是要结合传感器尺寸看单个像素的大小，再选择匹配的工业镜头。用户在选配设备的时候既要理性看待"超高像素"之说，同时工业摄像机与工业镜头也应该在保证质量的前提下保持分辨率一致。

5.工业相机与镜头分辨率匹配关系

       镜头的成像质量有它自己的一系列衡量指标，一般来说，相机的成像质量要和镜头的成像质量相对应，差异不能太大。镜头再好，机身传感器的分辨率上不去，其优质的取景能力也表现不出来; 机身画幅和分辨率再高，镜头画质不给力，也捕获不到优秀的画质。
       一般在对工业相机与镜头选型时，在分辨率匹配方面，为了方便记忆镜头与相机的匹配关系，人们常采用对应相机的分辨率来命名镜头。这种命名方式其实并不科学，同时给新接触视觉系统的人带来了很多误解，经常会机械的套用百万像素分辨率相机对应百万像素镜头，200万像素分辨率相机对应200万像素镜头，而500万像素分辨率相机则对应500像素镜头。其实镜头与相机对应的并不是相机自身的像素分辨率(像素数)，而是各自的极限空间分辨率(即传递函数MTF（MODULATION Transfer Function）对应的空间截止频率)。（注：镜头的分辨率指1mm内可以分辨的黑白对数，镜头的性能主要靠MTF曲线来判断，越是平缓变化的曲线性能越好）。

6.相机选择要点

       对相机的选择，我们首先必须先确定客户需求：
       1）、根据应用的不同分别选用CCD或CMOS相机。CCD工业相机主要应用在运动物体的图像提取，当然随着CMOS技术的发展，很多贴片机也在选用CMOS工业相机。用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD工业相机比较多。CMOS工业相机由成本低，功耗低也应用越来越广泛。拍摄目标静态，为了节约成本优先考虑cmos相机。运动拍摄（飞拍）则优先考虑CCD相机。
       2）、视场FOV：视野范围。在选择镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头，有利于运动控制；
       3）、工作距离WD；
       4）、希望检测的精度：单位像素所代表的实际视野，数值越小精度越高。
       精度＝视野÷分辨率
       1200万像素相机（4000＊3000 pix）拍摄视野为80＊60mm的图片，那么理论精度为多少？80÷4000=0.02 mm/pix，理论精度为2丝；
       5）、景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小光圈；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。
       6）、拍摄的物体是否运动，如果拍摄的物体是运动的，则不能选用卷帘快门的CMOS 相机和隔行扫描行间转移CCD，可以选用全帧快门CMOS 相机，或者是行间转移 CCD。一般，只能拍静止物体的相机价格相对低一些，而且，由于结构简单，性能会比较不错，所以，在只需要拍摄静止物体的场合，选择卷帘快门的 CMOS 相机会是不错的选择；
       7）、帧率、当被测物体有运动要求时，要选择帧数高的工业相机。但一般来说分辨率越高，帧数越低；
       8）、接口；
       9）、拖影：:一次曝光时间里，物体移动超过一个像素，图像上就会产生拖影，因此可以计算出产生拖影的临界曝光时间。
       曝光时间<=精度÷运动速度
       需要拍摄理论精度0.1mm／pix，运动速度0.1米／秒的物体，最大曝光时间是多少？
       0.1mm÷100mm/s=0.001s=1ms=1000μs
       10）、分辨率选择、首先考虑待观察或待测量物体的精度，根据精度选择分辨率。相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率。则相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/理论精度。
       若单视野为5mm长，理论精度为0.02mm，则单方向分辨率=5/0.02=250。然而为增加系统稳定性，不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值，一般可以选择倍数4或更高。这样该相机需求单方向分辨率为1000，选用130万像素已经足够。
       其次看工业相机的输出，若是体式观察或机器软件分析识别，分辨率高是有帮助的；若是VGA输出或USB输出，在显示器上观察，则还依赖于显示器的分辨率，工业相机的分辨率再高，显示器分辨率不够，也是没有意义的；利用存储卡或拍照功能，工业相机的分辨率高也是有帮助的。
       11）、黑白还是彩色；
       12）、传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸，C或CS安装座也要匹配。在分辨率足够的情况下，优先使用尺寸大的像元，但同时需要考虑靶面大小，通常靶面越大，相机和镜头的价格越高。

六、相机、镜头选择实例

1.实例1

       1）、选相机。已知条件：
       a：待检测物体大小：10mm×7mm；
       b：检测精度：0.01mm；
       c：视野范围：12mm x 9mm；
       d：镜头前端距离被测物体距离（工作距离WD）：60mm；
       计算：
       相机最小分辨率=(12/0.01)(9/0.01)=1200900≈108万像素；
       相机分辨率至少为108万像素，可以选用130万像素相机(1280960)。为减小边缘提取时的像素偏移带来的误差，提高系统的精准度和稳定性，实际使用中一般用2-3个像素对应一个最小缺陷或特征。
       则相机分辨率=1083≈324万；
       最终选型320万像素相机(2048*1536)。
       2）、选镜头。为保证画面整体的可应用性，选用镜头的像面尺寸应大于相机芯片的对角线尺寸（以下简称靶面），否则会出现边缘暗角/黑角等情况，影响使用。根据被摄物体的大小我们可以得到视野的大致范围，进而得到物像关系，这里我们用光学放大倍率来表示。公式：
       光学放大倍率=CCD（V）或（H）尺寸/视场（V）或（H）尺寸
       已知条件：
       a：视野范围：12mm×9mm；
       b：镜头前端距离被测物体距离（工作距离WD）：60mm；
       c：选用相机：320万像素相机（分辨率2048×1536,像元尺寸3.45um）。
       计算CCD芯片靶面长宽尺寸：
       CCD长度=2048×3.45/1000=7.0656mm；
       CCD高度=1536×3.45/1000=5.2992mm；
       计算光学放大倍率：
       光学放大倍率=CCD（V）/视场（V）=7.0656/12=0.59 倍
       计算焦距：
       焦距=物距×光学放大倍率=60×0.59=35.4mm
       常用焦距有：8、12、16、25、35、50、75等。
       计算实际光学放大倍率、视野长度、视野高度：
       实际光学放大倍率 =焦距/物距 =35/60=0.58 倍；
       实际视野长度 = CCD长度/实际光学放大倍率=7.06/0.58=12.17mm；
       实际视野宽度 = CCD高度/实际光学放大倍率=5.30/0.58=9.13mm；
       计算单像素精度：
       单像素精度 =视野长度/CCD长方向有效像素个数=12.17/2048=0.0059mm
       3）、总结：使用35mm镜头，搭配320万相机，可以达到12.17mm×9.13mm的视野，单像素精度5.9微米。

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总结

       以上为CCD相机及镜头的简单介绍，要完全理解CCD，还需要去研究数值孔径NA和F#，相机的精度（分辨率、像元）、镜头的精度（分辨率、艾利斑）、线阵相机、面阵相机、远心镜头、景深等知识。

参考文献：

1、镜头构成原理
2、工业镜头基础知识