光学基础概念系列之——景深、工作距离、物像

距离

景深

通俗而言，景深即在镜头架设好后，与被测物体间相对距离不做任何调节的情况下，可接受的能清晰成像的物方空间范围。

在机器视觉中，相机芯片为光学系统的像平面，物方与像平面共轭的平面称为对准平面。严格的来讲除对准平面上的点能成点像外，其他空间点在像平面上成像为弥散斑。但由于芯片的分辨率是有限的，因此当弥散斑小于一定限度时，仍可认为是一个像点，即成像清晰。

因此景深定义为：能在像平面上获得清晰像的物方空间深度范围称为景深。能成清晰像的最远的物平面称为远景平面，它与对准平面的距离称为远景深度Δ1；能成清晰像的最近的物平面称为近景平面，它与对准平面的距离称为近景深度Δ2；景

深=远景深度+近景深度。如下图所示：

景深可由下式计算：

随着近年相机芯片像元尺寸的减小，弥散斑取0.04mm已远大于芯片的分辨能力。而且严格而言，不同像元尺寸的相机，由于允许的弥散斑大小不同，同一个镜头的景深也有差异。但是习惯性的，机器视觉行业各镜头厂商仍以弥散斑直径=0.04mm来计算景深。因此有经验的工程师会发现镜头实际测试出的景深值<目录上标示出的景深理论值。

由上式可以看出，景深跟镜头有效Fno.成正比。因此对于光阑可调的镜头, 当Fno.为1.4，即光阑开口最大时，景深最小。当减小Fno.为8，即光阑开口调小时，景深增大。如下图所示

另外，由上式还可看出，当镜头Fno.相同时，镜头放大倍率越小，景深越大。

工作距离及物像距离

工作距离(WD)是指镜头最下端机械面到物体的距离。

物像距离(O/I)是指物平面到相机芯片间的距离。

物像距离=工作距离+镜头本体长度+法兰距。

其中对于常见的C口镜头和相机，法兰距为17.526mm。

在机器视觉行业中，许多镜头设计时为了保证成像质量，工作距离通常为一个固定值

或一个较窄的范围。如远心镜头，作为行业标准的工作距离是40mm、65mm、110mm。因此在实际项目中，我们建议进行设备机械设计前应先考虑视觉系统，使镜头工作距离的选择不受机械空间的限制，从而在保证最佳的光学性能的同时降低成本。否则可能因为一个特殊的工作距离要求，导致选型十分困难，不得不定制镜头。

在线阵项目中，由于各相机厂商定义的法兰距不同（如同样是M72*0.75接口，法兰距可能为6.56mm, 9.4mm, 12mm, 19.55mm等），且线阵镜头通常需搭配很长的转接环，此时物像距离对于选型而言变得更有意义。因此作为专业的机器视觉从业者，我们与客户沟通时，需要正确判断客户所描述的空间是指工作距离还是物像距离。茉丽特线扫镜头，会同时标明WD和O/I，方便客户选择。

像圈

像圈（image circle）是指入射光线通过镜头后，在焦平面上呈现出的圆形的明亮清晰的影像幅面，也称像面大小。镜头像圈由镜头光学结构决定，一旦设计完成，其对应的像圈就确定了。

在机器视觉中，由于感光器件为相机芯片，芯片尺寸即为成像靶面大小。由于镜头像圈为圆形，相机靶面为长方形，因此镜头与相机搭配时，必须使镜头的像圈直径≥相机靶面的对角

线长度（如右图所示）。否则，相机靶面的四角会形成暗区（如左图所示）从而影响成像质量，这种现象称为渐晕。

如CMOSIS CMV2000芯片，对角线长度为12.8mm. 若镜头的像圈为Ф11mm(厂家或表述为：

镜头最大兼容芯片尺寸为2/3'), 那此款镜头搭配使用该芯片的相机时，就会出现渐晕。

如茉丽特ML-MCHR系列镜头像圈为Ф12.8mm, 此说明此款镜头可匹配包含CMV2000, 2/3'、1/2'、1/1.8'、1/2.5'、1/3'等芯片的相机。

习惯性的，当为4/3'以下面阵相机设计的镜头时，通常表述为“最大兼容的相机靶面”，

如MML1-HR65最大兼容相机靶面2/3'。当为更大靶面的面阵相机或线阵相机设计的镜头时，

通常直接给出镜头的像圈，如ML-F80C-0205, 镜头像圈为Ф82mm.

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：

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=0.2x*44.5x=8.89x。