工业相机与工业镜头相关参数详解
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文章目录
- 前言
- 一、工业相机常用传感器（芯片）尺寸
- 二、相机镜头基本参数
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- 1.焦距（Focal Length）
- 2.光圈（Iris）
- 3.景深（Depth of Field，DOF）
- 4.镜头接口
- 5.镜头分辨率(Resolution)
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- 1）像元尺寸
- 2）相机传感器分辨率与镜头分辨率的匹配选型
- 6.工作距离（Workingdistance,WD）
- 7.视野范围（视场）（Field of View，FOV）
- 8.光学放大倍数（Magnification，b）
- 总结
前言
本文主要介绍工业相机与工业镜头相关参数及求解方法，主要内容参见目录。
一、工业相机常用传感器（芯片）尺寸
工业相机参数列表中一般将传感器尺寸参数描述为靶面尺寸：1/n"，这里指的是传感器（工作区域为矩形）对角线长度为1/n英寸，但这里英寸和mm的换算关系并不是1英寸=25.4mm，而是=16mm。下面列举了一些常用的靶面尺寸：
- 1.1 英寸——靶面尺寸为 宽12 mm * 高12 mm ，对角线17 mm
- 1 英寸——靶面尺寸为 宽12.7 mm * 高9.6 mm ，对角线16 mm
- 2/3 英寸——靶面尺寸为 宽8.8 mm * 高6.6 mm ，对角线11 mm
- 1/1.8英寸——靶面尺寸为 宽7.2 mm * 高5.4 mm ，对角线 9 mm
- 1/2 英寸——靶面尺寸为 宽6.4 mm * 高4.8 mm ，对角线 8 mm
- 1/3 英寸——靶面尺寸为 宽4.8 mm * 高3.6 mm ，对角线 6 mm
- 1/4 英寸——靶面尺寸为 宽3.2 mm * 高2.4 mm ，对角线 4 mm
二、相机镜头基本参数
1.焦距（Focal Length）
焦距就是从镜头的中心点到胶平面（胶片或CCD）上所形成的清晰影像之间的距离，注意区分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。
工业相机镜头焦距的参数用mm（毫米）来划分的， 常规的有6mm, 8mm, 12mm,16mm,25mm ,35mm , 50mm,75mm.一般6mm镜头在15m以内，8mm镜头在20m以内，视角约50度，12mm在30-40m以内，约30度，16mm在40-60以内。
标准镜头的视角约50度左右，这是人单眼在头和眼不转动的情况下所能看到的视角，从标准镜头中观察的感觉与我们平时所见的景物基本相同。
- 焦距的计算方法
2.光圈（Iris）
光圈是一个用来控制光线通过镜头，进入机身内感光面光量的装置。它通常是在镜头内，通过面积可变的孔径光栅来达到控制镜头通光量。
我们可以把相机的光圈，想象成人的瞳孔。当光线强烈时，瞳孔会自动变小；当光线变弱时，瞳孔便会自动放大，保证周围的一切在视网膜上能正常成像。相机的光圈也是基于同样的原理：当光线不足时，我们把光圈调大，可以让更多光线进入相机，反之亦然。
除了调整进光量之外，光圈还有一个重要的作用：调整画面的景深。用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量，每个镜头上都标有最大F值，例如：8mm/F1.4代表最大孔径D为5.7mm（8/1.4），F值越小，光圈越大，F值越大，光圈越小。最佳光圈一般在f/4-f/8。
3.景深（Depth of Field，DOF）
景深是指在被摄物体聚焦清楚后，在物体前后一定距离内，其影像仍然清晰的范围。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化，光圈越大，景深越小（浅），光圈越小，景深越大（深）。焦距越长，景深越小，焦距越短，景深越大。距离拍摄物体越近时，景深越小，拍摄距离约远，景深越大。
- 景深的计算方法
小景深如图，
大景深如图，
4.镜头接口
工业相机镜头接口常用的有C接口、CS接口、F接口、M42接口、M72接口等。接口类型的不同和工业镜头性能及质量并无直接关系。
C接口和CS接口是工业相机与镜头联接最常见的国际标准接口，为1英寸－32UN英制螺纹连接口，C型接口和CS型接口的螺纹连接是一样的，区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面的距离不同，即C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm。所以CS型接口的工业相机可以和C口及CS口的镜头连接使用，在使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈；但C型接口的工业相机不能用CS口的镜头。
5.镜头分辨率(Resolution)
分辨率代表镜头记录物体细节的能力，是指在成像平面上 1 毫米间距内能分辨开的黑白相间的线条对数，单位是“线对/毫米”（ lp/mm，line-pairs/mm ），线对是指黑白相间的两条线，即两个像素点，分辨率越高的成像越清晰。我们常说的显示分辨率是屏幕图像的精密度，指图形所能显示像素有多少。
1）像元尺寸
最小能分辨的尺寸是线对数的2倍倒数。最小能分辨的尺寸即像元尺寸，指单个像素的大小或两个像素中心点之间的距离，单位mm或um等，不同规格相机规定单位不同。
例如：镜头分辨率是100 lp/mm，最小能分辨的尺寸是 1/(100*2)=0.005mm，即像元尺寸为5um。
2）相机传感器分辨率与镜头分辨率的匹配选型
一个镜头有它的最高分辨率N lp/mm，那么根据纳奎斯特采样（Shannon采样）定理，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。以相机的一个感光元对应以一条白线或黑线，那么摄像机在1mm内需要有2N个感光元来对应N条白线和N条黑线，相机的感光元密度就是 2N/mm。这时相机感光元件的分辨率和镜头的分辨率正好匹配。
一句话总结上述结论，相机传感器分辨率应该是镜头分辨率的2倍，才能呈现完好的成像质量，不会造成资源浪费。如果大于镜头分辨率的两倍，则造成了相机性能的过剩，反之造成了镜头性能的过剩。
镜头分辨率是以在成像平面上能够分辨的线对数/mm来表示。而相机分辨率是以像素数/mm表示，即像元尺寸的倒数。所以要取相机分辨率等于镜头分辨率的两倍实际上是要求相机和镜头的像元尺寸相等，而不是像素相等。例如500万像素的相机不一定需要配备500万像素的镜头，而是需要计算像元尺寸，然后进行比较。
例：有一个 200万像素相机，像素数为1600×1200=1920000，感光面尺寸是1/2 寸。1/2寸的感光面它水平尺寸是6.4mm、垂直尺寸是4.8mm，它的水平像素密度是 1600/6.4=250 pixel/mm，垂直像素密度是1200/4.8=250 pixel/mm，感光像元尺寸是 4um×4um。水平像素密度和垂直像素密度一样，像素是正方形的，如果像素不是正方形的镜头分辨率应参考像素密度高的。在这里水平像素密度和垂直像素密度都是 250pixel/mm ，所以镜头分辨率应选 125 lp/mm。
如果一个 2 百万像素相机感光面尺寸是 1/3 寸， 1/3 寸的感光面水平尺寸是4.8mm，垂直尺寸是 3.6mm，它的水平像素密度是 1600/4.8=333.3 pixel/mm ，垂直像素密度是 1200/3.6=333.3 pixel/mm ，所以镜头分辨率应选 167 lp/mm。
通过上面例子我们还看到，一个标为 1/2 寸的 200万像素镜头不适合于 1/3 寸的 200万像素感光面， 这一点要有所区别和重视。 1/2 寸的 200万像素镜头分辨率是 125 lp/mm ，去用于 1/3 寸的 4.8mm× 3.6mm 感光像面，在水平方向有 125×4.8=600 线对，对应了1200 像元，在垂直方向有 125× 3.6=450 线对，对应了 900 像元。 1200× 900=1080000差不多是110万像素。所以把一个标为 1/2 寸的 2 百万像素镜头用于 1/3 寸的感光面时只能当 100万像素镜头用。
6.工作距离（Workingdistance,WD）
镜头第一个工作面到被测物体距离
7.视野范围（视场）（Field of View，FOV）
相机实际拍摄到的区域尺寸，视场角分物方视场角和像方视场角。一般光学设备的使用者关心的是物方视场角。对于大多数光学仪器,视场角的度量都是以成像物的直径作为视场角计算的。如：望远镜、显微镜等。而对于照相机、摄像机类的光学设备，由于其感光面是矩形的，因此常以矩形感光面对角线的成像物直径计算视场角，如下图左。也有以矩形的长边尺寸计算视场角的，如下图右。
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。
8.光学放大倍数（Magnification，b）
CCD/FOV,即芯片尺寸除以视野范围。
- 光学放大倍数的计算
总结
以上即是关于工业相机基本参数的介绍，后续有要补充的会再更新，感谢各位朋友的：点赞、收藏和评论~
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