机器视觉工业镜头计算方法.docx
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机器视觉工业镜头计算方法
机器视觉工业镜头计算方法
（一）
2012年8月1日 艾菲特光电
一、机器视觉中工业镜头的计算方式
1、WD物距工作距离（WorkDistance，WD）。
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2、FOV视场视野（FieldofView，FOV）
3、DOV景深（DepthofField）。
?
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（SensorSize）
2、镜头的主要参数:
焦距FL（FocalLength）
最小物距Dmin（minimumFocalDistance）
3、其他参数:
视野FOV（FieldofView）?
像素pixel?
FOVmin=SS（Dmin/FL）
如：
SS=6.4mm，Dmin=8in，FL=12mmpixel=640*480
则：
FOVmin=6.4（8/12）=4.23mm4.23/640=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）
1/4″：
（3.2mm×2.4mm）；
1/3″：
（4.8mm×3.6mm）；
1/2″：
（6.4mm×4.8mm）；
2/3″：
（8.8mm×6.6mm）；
1″：
（12.8mm×9.6mm）；
四、CCD相机元件的尺寸
型号
高度比
长度（mm）
宽度（mm）
对角线（mm）
1/6"
4:
3
1.73
2.3
2.878
1/4"
4:
3
2.4
3.2
4
1/3"
4:
3
3.6
4.8
6
1/2"
4:
3
4.8
6.4
8
1/1.8"
4:
3
5.3
7.2
8.9
2/3"
4:
3
6.6
8.8
11
1"
4:
3
9.6
12.8
16
4/3"
4:
3
13.5
18
22.5
五、线阵传感器尺寸（单位：
mm）
61.4
57.4
3.5
28.6
20.48
10.24
六、公式：
分辨率（μm）=0.61（固定值）x0.55（设计波长）÷NA
有效FNo=放大倍率/2NA
景深（mm）=2（可接受的模糊圆直径x有效FNo÷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
综合倍率=44.45x2=88.9
八、光学放大率
光学放大率
影像大小相对于物体的放大率?
β=y’/y?
=b/a
=NA/NA’
=CCD相机元素尺寸/视场实际尺寸
电子放大率
电子放大率是用相机拍照成像在CCD上的像呈现在显示器的放大倍数
显示器放大率
显示器放大率是被拍物体通过镜头成像显示在显示器上的放大倍数?
显示器放大率＝（光学放大率）×（电子放大率）?
例子:
光学放大率＝0.2X,CCD大小1/2（对角线长8mm）,显示器14〃?
电子放大率＝14×25.4/8＝44.45（倍）?
显示器放大率＝0.2×44.45＝8.89（倍）（1寸＝25.4mm）
视场
视场是镜头与CCD相机连接时物体可被看见的范围大小?
视场的大小是:
（CCD格式大小）/（光学放大率）?
例子:
光学放大率＝0.2X，CCD1/2〃（4.8mm长，6.4mm宽）?
视场大小:
长＝4.8/0.2＝24（mm）?
宽＝6.4/0.2＝32（mm）
工业镜头基本参数
（一）
2009年3月25日 艾菲特光电
工业镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像；就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的。
当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物就变得模糊不清；摄像头与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像头的后焦点，改变CCD芯片与工业镜头基准面的距离（相当于调整人眼晶状体的位置），可以将模糊的图像变得清晰。
由此可见，镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。
工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道：
设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距，施工人员经常进行现场调试，其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。
一．工业镜头的安装尺寸，接口?
所有的摄象机镜头均是螺纹口的，CCD摄象机的镜头安装有两种工业标准，即C安装座和CS安装座。
两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。
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C安装座：
从镜头安装基准面到焦点的距离是17．526mm。
?
CS安装座：
特种C安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。
其镜头安装基准面到焦点的距离是12．5mm。
如果要将一个C安装座镜头安装到一个CS安装座摄象机上时，则需要加装一个5mm厚的接圈。
二．镜头的尺寸?
以摄象机镜头尺寸分镜头可以分为1英寸、2／3英寸、1／2英寸、1／3英寸、1／4英寸、1／5英寸等规格，下面是一个简单的芯片尺寸规格表：
格式
1英寸
2/3英寸
1/2英寸
1/3英寸
1/4英寸
高度
9.6mm
6.6mm
4.8mm
3.6mm
2.4mm
宽度
12.8mm
8.8mm
6.4mm
4.8mm
3.2mm
摄像机镜头规格应视摄象机的CCD尺寸而定，两者应相对应。
大概：
?
★摄像机的CCD靶面大小为1／2英寸时，镜头应选1／2英寸。
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★摄像机的CCD靶面大小为1／3英寸时，镜头应选1／3英寸。
?
★摄像机的CCD靶面大小为1／4英寸时，镜头应选1／4英寸。
如果镜头尺寸比摄像机CCD靶面尺寸大时，将使图像视野比镜头视野小，即不能很好地利用镜头的视野；如果镜头尺寸比摄像机CCD靶面尺寸小时，将发生“隧道效应”，即图像有圆形的黑框，像在隧道里拍的一样。
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监控相机一般都比较小，甚至小于1/3英寸；工业相机稍微大一些，一般1/2英寸到1英寸不等；传统的135相机底片比当前的一般感光芯片都大，36mm×24mm（1.4英寸×0.9英寸），画面对角线长度为43mm（1.7英寸），即是1.7英寸的，120中幅相机，其感光面尺寸有三种：
45×60mm、60×60mm和90×60mm，可见画幅更大。
三．镜头的光圈，F值?
光圈的主要作用是通过控制镜头光量的大小满足成像所需的合适照度。
光圈越大，靶面成像照度越大，摄像机输出信号强度越大，信噪比越高。
?
可以理解，通光孔径越大，通过的光量越大；但我们关心的是到达芯片的光量，而焦距越长，意味着芯片离镜头中心越远，相应的光就越弱，所以，标准光圈大小的参数应该与两个变量有关，孔径，焦距。
?
光圈系数，即F值即是用来来表征光圈的大小的参数。
它等于镜头焦距f和通光孔径D之比。
光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。
F值的规律是后一个值正好是前一个数值的√2倍，所以，光圈调大一挡，光量减少2倍。
常用值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等几个等级。
一般光圈都可以调节，从而有手动光圈（manualiris）和自动光圈（autoiris）之分。
?
手动光圈工业镜头是的最简单的工业镜头，适用于光照条件相对稳定的条件下，手动光圈由数片金属薄片构成。
光通量靠镜头外径上的—个环调节。
旋转此圈可使光圈收小或放大。
在照明条件变化大的环境中或不是用来监视某个固定目标，应采用自动光圈工业镜头，比如在户外或人工照明经常开关的地方，自动光圈镜头的光圈的动作由马达驱动，马达受控于摄像机的视频信号。
自动光圈工业镜头又有两类：
一类是将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，镜头本身包含放大器电路，用以将摄像头传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制，这称为视频（VIDEO）驱动型；另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈，称为直流（DC）驱动型，这种镜头只包含电流计式光圈马达，要求摄像头内有放大器电路。
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对于各类自动光圈工业镜头，通常还有两项可调整旋钮，一是ALC调节（测光调节），有以峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择，一般取平均测光档；另一个是LEVEL调节（灵敏度），可将输出图像变得明亮或者暗淡。
工业镜头基本参数
（二）
2009年3月28日 艾菲特光电
四．工业镜头的视角，焦距?
焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。
由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是有一个大的观测范围重要，如果要看细节，就选择长焦距镜头；如果看近距离大场面，就选择小焦距的广角镜头。
1．焦距的计算：
?
镜头的焦距，视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下：
?
f＝wL／W?
f：
镜头焦距?
w：
图象的宽度（被摄物体在ccd靶面上成象宽度）?
W：
被摄物体宽度?
L：
被摄物体至镜头的距离?
高度可以类比。
?
2．视场角的计算：
tg（ωH/2）＝h/2f=W/Ltg（ωV/2）＝v/2f=H/L?
ωH：
水平视场角?
ωV：
垂直视场角?
f：
镜头的焦距?
h：
摄像机靶面的水平宽度?
v：
摄像机靶面的垂直高度?
W：
最大可见物体宽度的一半?
H：
最大可见物体高度的一半?
L：
被摄物体至镜头的距离?
垂直视角可以类比。
?
3．镜头按视角分类?
镜头按视角分可以分为：
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标准镜头：
视角30度左右，在1／2英寸CCD摄象机中，标准镜头焦距定为12mm，在1／3英寸CCD摄像机中，标准镜头焦距定为8mm。
只所以称30度视角的镜头是标准镜头是因为人眼的有效视角大概是30度。
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广角镜头：
视角90度以上，焦距可小于几毫米，可提供较宽广的视景。
?
远摄镜头：
视角20度以内，焦距可达几米甚至几十米，此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大，但使观察范围变小。
?
4．镜头按焦距分类?
镜头从焦距上分为：
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短焦距镜头：
因入射角较宽，可提供一个较宽广的视野。
?
中焦距镜头：
标准镜头，焦距的长度视CCD的尺寸而定。
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长焦距镜头：
因入射角较狭窄，故仅能提供狭窄视景，适用于长距离监视。
按焦距分类和按视角分类是对应的。
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5．定焦镜头和变焦镜头?
有些镜头的焦点是固定的，而有些镜头的焦点是可变的，这分别称为定焦镜头和变焦镜头。
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变焦镜头也常被成为变倍镜头，它的焦距连续可变，即可将远距离物体放大，同时又可提供一个宽广视景，使监视范围增加。
变焦镜头有手动伸缩镜头和自动伸缩镜头两大类。
典型的光学放大规格有6倍（6.0-36mm，F1.2）、8倍（4．5-36mm，F1．6）、10倍（8．0-80mm，F1．2）、12倍（6.0-72mm，F1．2）、20倍（10-200mm，F1.2）等档次，并以电动伸缩镜头应用最普遍。
五．镜头的分辨率?
描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变，但对用户而言，需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率，以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位。
六．特殊镜头
在特殊的安全镜头族群中，值得一提的品种包括光纤镜头、管道镜头、分像镜头、拐角镜头、中继镜头、自动聚焦镜头、安定镜头和长程镜头。
这些镜头各有所长，可以实现普通镜头所无法完成的特殊功能。
1．光纤镜头和管道镜头?
设计难度较大的监控系统中往往需要使用粘连光纤束镜头。
与通常用于视频信号传输的单模光纤和多模光纤不同，这种光纤束是由上千根单独的玻璃光纤粘连在一起组成的。
它可以将物镜得到的光学图像传输到十几厘米到几米远的地方。
中继镜头从光纤束处理到图像后，再将其传送到摄像机的传感器上。
通过光纤镜头取得的画面，其质量不如通过普通镜头取得的画面好。
因此，这种镜头只能用在普通镜头无法解决问题的场合。
光纤镜头分为刚性和柔性两种。
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