工业相机+镜头选型及靶面、焦距计算等相关详解

工业相机+镜头选型及靶面、焦距计算等相关详解

• 着重讲述相机的各个参数及使用意义
• 总结相机+镜头选型主要参数的推理计算

0. 工业相机相关概念简介

• 相机与镜头一览

  • 工业相机与镜头实物图如下图所示：
    
  • 常见的相机有两种供电方式：一种是电源线供电，然后引一根网线直接连主机/服务器用于数据传输；另一种方式是网口供电，将相机与交换机通过网线连接，然后再将交换机与主机/服务器进行连接，如此实现相机的供电与数据传输操作
  • 常见的工业相机数据传输接口一般分为GigE与USB，下图为GigE接口，即网线接口，进行数据传输时一般需要设置服务器网口属性打开巨型帧；若为USB接口，需要连接服务器的usb3.0接口，其皆为实现图像数据的高数据量传输
  • 还没接触前一直以为镜头叫“相机”，然后另一部分叫芯片，入门之后才发现原来相机指的是芯片和传感器，镜头是单独的一部分，而且两者价格都挺高的，畸变小一些的镜头就要好几百甚至上千！

• 常见的相机品牌

  • PointGrey: https://www.flir.cn/iis/machine-vision/
  • DALSA: https://www.teledynedalsa.com/en/home/
  • 大恒图像： https://www.daheng-imaging.com/
  • 海康威视：https://www.hikrobotics.com/cn
  • 迈德威视：https://mindvision.com.cn/

• 下边以海康相机为例展示一下相机参数：

  • 比较重要的参数：像元尺寸、靶面、分辨率
  • 130万像素 约等于 图像宽 x 图像高
  • 靶面大小 约等于像元大小 x 分辨率，尺寸约等于对角线长度（英寸）与1英寸的比值，后边将详细介绍
  • 相机选型时会根据分辨率选择相机型号，然后通过靶面尺寸与实际工作距离计算镜头焦距，然后进行选型，镜头的靶面会优先选择>=相机的靶面尺寸，不然采图会四周黑角。

• 其他参数 ：

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？）

1.靶面尺寸

• 靶面介绍如下：
  
• 靶面常见尺寸：
  
• 靶面计算如下：

2.工作距离、视场与镜头选型

• CCD专业名词及型号选择

  • 首先，要确定工业相机的接口、靶面尺寸和分辨率大小。打比方是2/3" 工业相机，C接口，500万像素；那么我们可以先确定需要的工业镜头是C接口，最少支持2/3", 500万像素以上。
  • 其次，确定所要达到的视野范围(FOV)和工作距离(WD)，然后根据这两个要求和已知的靶面尺寸计算出工业镜头的焦距(f)。其计算公式为：

焦距f ＝工作距离(WD) × 靶面尺寸( H or V) /视野范围 FOV( H or V)

视野范围FOV ( H or V)＝工作距离(WD) × 靶面尺寸( H or V) / 焦距f

视野范围FOV( H or V)＝ 靶面尺寸( H or V) / 光学倍率

工作距离WD = f(焦距）× 靶面尺寸/视野范围FOV( H or V)

光学倍率 ＝ 靶面尺寸( H or V) /视野范围FOV( H or V)

• 具体推理过程如下：
  

3.镜头相关参数

• 合适的镜头能将相机的性能发挥到极致，若选择了不适合的镜头，则无法发挥镜头成像功能，无法得到清晰质量图像从而影响产品检测质量。
• 1、根据预算需求，确定品牌。工业镜头选型时首先了解一些品牌，像Moritex、VST、Computar等进口品牌都是很好的，国产的镜头也可以看看灿锐、大恒等根据预算选择品牌。
• 2、根据工业相机接口，确定工业镜头接口。镜头接口只要跟相机接口匹配或可通过外接转换口匹配就可以了，其常规的接口是C口、CS口和F口，他们主要的区别在于镜头安装基准面到焦点的距离不同。C口是17.526mm；CS口是12.5mm。CS口加个5mm的接圈就可以和C口工业相机匹配。
  
• 3.确定镜头光圈大小。镜头的光圈大小决定图像的亮度，在拍摄高速运动物体或则曝光时间很短的应用中，应该选用大光圈镜头，以提高图像亮度。
  

参考：

1.CCD工业相机、镜头倍率及相关参数计算方法
2.相机靶面尺寸详解+工业相机选型
3.https://www.zhihu.com/question/46451404