镜头主要参数与光 源 选 型,选型焦距计算公式,CS、C接口工业镜头与M12镜头的关系知识。

2021年6月17日 1点热度 0条评论 来源: yangdeshun888

1.焦距(FocalLength)  

焦距是从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离。焦距的大小决定着视角的大小,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。根据焦距能否调节,可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。  

2.光圈(Iris)  

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代表最大孔径为 5.7毫米 。F值越小,光圈越大,F值越大,光圈越小。  

3.对应最大CCD尺寸(SensorSize)  

镜头成像直径可覆盖的最大CCD芯片尺寸。主要有:1/2″、2/3″、1″和1″以上。  

4.接口(Mount)  

镜头与相机的连接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。  

5.景深(Depth ofField,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;光圈越小、景深越大。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。(记住控制单一变量,如果物距与焦距一起变总体上景深是变大的,因为物距的增速大于焦距的减速  

6.分辨率(Resolution)  

分辨率代表镜头记录物体细节的能力,以每毫米里面能够分辨黑白对线的数量为计量单位:“线对/毫米”(lp/mm)。分辨率越高的镜头成像越清晰。  

7、工作距离(Workingdistance,WD)  

镜头第一个工作面到被测物体的距离。  

8、视野范围(Field ofView,FOV)   

相机实际拍到区域的尺寸。  

9、光学放大倍数(Magnification,ß)   //这个一般对于远心镜头比较重要,就是相机当作显微镜时,其放大倍数越大越好。

CCD/FOV,即芯片尺寸除以视野范围。  

10、数值孔径(Numerical Aperture,NA)   

数值孔径等于由物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半(a\2)的正弦值的乘积,计算公式为N.A=n*sina/2。数值孔径与其它光学参数有着密切的关系,它与分辨率成正比,与放大率成正比。也就是说数值孔径,直接决定了镜头分辨率,数值孔径越大,分辨率越高,否则反之。  

11、后背焦(Flangedistance)   

准确来说,后倍焦是相机的一个参数,指相机接口平面到芯片的距离。但在线扫描镜头或者大面阵相机的镜头选型时,后倍焦是一个非常重要的参数,因为它直接影响镜头的配置。不同厂家的相机,哪怕接口一样也可能有不同的后倍焦。  

二、镜头选型  

1.选择镜头接口和最大CCD尺寸  

镜头接口只要可跟相机接口匹配安装或可通过外加转换口匹配安装就可以了,其一般的接口是C口跟CS口,这两者主要的区别是图像传感器与镜头之间的距离不同这两者类型的接口没有细分的,其C口的大小全都都一样,;镜头可支持的最大CCD尺寸应大于等于选配相机CCD芯片尺寸。

1.

CS-mount: 图像传感器到镜头之间的距离应为12.5 mm

 

C-mount: 图像传感器到镜头之间的距离应为17.5 mm。一个5 mm的垫圈(C/CS连接环)可用于将C-mount镜头转换为CS-mount镜头

C口螺纹和CS口螺纹是一样的口径一英寸,in32牙的螺纹,他们的不同在于焦距,C口焦距17.5mm    CS口为12.5mm

  

        其实这不是一个硬性条件,只是这样子出来的图片有的地方因为爆不了光而变成黑色。所以选匹配的工业镜头主要三个条件:

         a、根据博客下面的焦距计算公式,计算得到适合实验环境的焦距。

        b、为了充分利用相机的像元,应当选择镜头尺寸大于或等于相机成像面的尺寸。

c对于高精度的工业计算,第三点就很重要,就是要选择大于或等于相机分辨率(其实跟像元尺寸大小有关的,不是像素数)的镜头,这个就是镜头的解析力,一般在买镜头的时候有说明镜头是多少分辨率的。 如果对于不是高精度的视觉项目,则选择的镜头分辨率可以比相机分辨率低也可以。相机分辨率越高其价格越贵,适中即可。

            注意:上面的a中的计算公式只适合工业镜头的选型,因为其符合小孔成像原理,不用考虑其光学倍率,因为相同焦距、像面尺寸的工业镜头其在固定距离的光学倍率都是一样的;如果是那种广角、鱼鹰类的镜头则要通过另一种方式选,就是镜头的“光学倍率”,就是CCD/FOV,因为它们不符合严格的小孔成像原理,而是有更大的屈光率。

 

        镜头的好坏之分特性:畸变,一般好的镜头畸变特别小,不过多好的镜头,只要相机的分辨率特别大,在图像外框还是会有畸变存在。所以畸变率也是衡量镜头好坏的一个特性,对畸变比较敏感的工程,应当特别注意这点。分辨率,一般相机跟镜头分辨率选型要匹配。下面是一些镜头分辨率的知识点:   

       一般在对相机与镜头选型时,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,二百万像素分辨率相机对应二百万像素镜头,而五百万像素分辨率相机则对应五百万像素镜头。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对应的空间截止频率)。
        按目前公开的性能指标,百万像素的镜头对应的极限空间分辨率为90线对/mm,两百万像素的镜头对应的极限空间分辨率为110线对/mm,五百万像素的镜头对应的极限空间分辨率为160线对/mm。按照相机镜头的匹配原则,镜头的极限分辨率需大于或等于相机的极限分辨率,那么百万像素镜头配合的相机的极限分辨率必须小于90线对/mm,两百万像素镜头和五百万像素镜头所配相机的原理相同。
那么怎样知道相机的极限空间分辨率呢?相机的极限空间分辨率不是由相机自身的分辨率决定,而是由相机芯片的单个像元尺寸决定。具体计算公式如下:
1/(单个像元尺寸*2),单位:线对/mm
例如,我们常用的AVT GUPPY Pro系列的F125B相机,其为
130万,1/3寸CCD,其单个的像元尺寸为3.75um*3.75um.一般相机像素分辨率越大则其像元尺寸越小。则此相机极限空间分辨率为:
1mm/(3.75um*2)=133.33线对/mm
由镜头的极限空间分辨率大于相机的极限空间分辨率可知,选择
五百万像素的镜头较合适。

一个镜头介绍的内容:

2.选择镜头焦距

如图所示,在已知相机CCD尺寸、工作距离(WD)和视野(FOV)的情况下,可以计算出所需镜头的焦距(f)。  

   

   

3.选择镜头光圈  

镜头的光圈大小决定图像的亮度,在拍摄高速运动物体、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。  

4.选择远心镜头  

远心镜头是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头,它可以在一定的物距范围内,使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化。远心镜头与传统镜头对比,如图:  

 

 

 

远心镜头又分为物方远心和双侧远心两种,如图:

 

 

1.       选择光源的角度  

根据期望的图像效果,选择不同入射角度的光源。高角度照射,图像整体较亮,适合表面不反光物体;低角度照射,图像背景为黑,特征为白,可以突出被测物轮廓及表面凹凸变化;多角度照射,图像整体效果较柔和,适合曲面物体检测;背光照射,图像效果为黑白分明的被测物轮廓,常用于尺寸测量;同轴光照射,图像效果为明亮背景上的黑色特征,用于反光厉害的平面物体检测。不同角度光源的示意图如下:  


 

1.       选择光源的颜色  

考虑光源颜色和背景颜色,使用与被测物同色系的光会使图像变亮(如:红光使红色物体更亮);使用与被测物相反色系的光会使图像变暗(如:红光使蓝色物体更暗)。  

 

不同颜色光源效果示例:

 

 彩色图  红光效果  绿光效果  蓝光效果
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

波长越长,穿透能力越强;波长越短,扩散能力越强。红外的穿透能力强,适合检测透光性差的物体,如棕色口服液杂质检测。紫外对表面的细微特征敏感,适合检测对比不够明显的地方,如食用油瓶上的文字检测。     

        

1.       选择光源的形状和尺寸  

主要分为圆形、方形和条形。通常情况下选用与被测物体形状相同的光源,最终光源形状以测试效果为准。光源的尺寸选择,要求保障整个视野内光线均匀,略大于视野为佳。                               

                       

2.       选择是否用漫射光源  

如被测物体表面反光,最好选用漫反射光源。多角度的漫射照明使得被测物表面整体亮度均匀,图像背景柔和,检测特征不受背景干扰

 

 

 

工业摄像机镜头产品型号:FL-CC1614 -2M

品 牌:宾得(pentax)

FL-CC1614 -2M 产品规格

画面尺寸

2/3型

焦距

16 mm

最大口径比

1:1.4

光圈范围

1.4 ~ 16

安装方式

C

水平视角

1/4型

12.9°

1/3型

17.1°

1/2型

22.7°

2/3型

31.0°

最小物距

0.25 m

背景焦点

14.61 mm

滤镜尺寸

27 P=0.5 mm

外形尺寸

φ29.5×33.2 mm

重量

63 g

 

 

其参数代表的意义是:

1.画面尺寸2/3型,指的是其能够提供的最大感光面尺寸是2/3英寸。

 

CCD尺寸是怎样规定的? CCD(包括CMOS感光元件)的面积是按其矩形对角线英寸长度为指标的。这和定义电视屏幕尺寸类似。 一英寸是25.4毫米。1/2.7英寸、1/2.5、1/1.8都是指CCD对角线有多少分之一英寸长,分母小的其分数值就大,相应感光元件面积也大。 1/2.7英寸、1/2.5英寸、1/1.8英寸之间的差别到底有多大? 通过以下的分析和面积的具体计算,就一目了然。 因为通常CCD面积是矩形(个别有3:2),1/2.7英寸、1/2.5与1/1.8的具体面积可以由对角线长度来推出。根据“直角三角形斜边的平方=两直角边的平方和”的定理, 把斜边的平方除以矩形两边比值数各自平方的和,得出一个系数,再用这个系数分别乘矩形两边比值数的平方,分别得出两直角边的平方,再开方后得出矩形的两个边长数值,最后将其相乘就是所求矩形的面积。 例如:CCD对角线长为1/2.5英寸,矩形长宽比是4:3,计算过程如下: 25.4毫米/2.5=10.16毫米 ……………………………………………(对角线长) 10.16毫米×10.16毫米/(4×4+3×3)=4.129024平方毫米…………(系数) 4.129024平方毫米×(4×4)=66.064384平方毫米,将其开方,√66.064384平方毫米=8.128毫米…………………………………………………………(长边值) 4.129024平方毫米×(3×3)=37.161216平方毫米,将其开方,√37.161216平方毫米=6.096毫米 …………………………………………………………(短边值) 长边值8.128毫米×短边值6.096毫米=实际面积49.55平方毫米。 同样方法计算出来的1/2.7英寸、1/1.8英寸CCD的面积分别是42.48平方毫米和95.53 平方毫米 可见: 1/1.8英寸CCD 面积95.53平方毫米 是1/2.5英寸CCD面积1.93倍 1/2.5英寸CCD 面积49.55平方毫米 是1/2.7英寸CCD面积1.17倍 1/2.7英寸CCD 面积42.48平方毫米 只有1/1.8英寸CCD面积的44% CCD面积越大,能容纳感光元件越多,捕获的光子越多,感光性能越好,信噪比越低,表现在成像效果上越好,也就是图像细腻、层次丰富、色彩还原真实、相同条件下,能记录更多的图像细节,各像素间的干扰也小,可以更加胜任弱光条件下的感光、支持数码图像稳定器对像素资源的占用,另外还可提供对拍摄更大照片尺寸和更高照片精度的选择。 如面积不变,单纯增加像素,单个像素的感光面积肯定要缩小,不但热稳定性会变差,且有曝光不足的可能。如果既要增加像素又想保证持图像质量,就必须在维持单个像素面积不缩水的前提下增大CCD的总面积。而大尺寸CCD加工制造技术要求高,成本也非常高。在选择和评价CCD尺寸时,1/1.8英寸要比1/2.5英寸好得多,更优于1/2.7英寸。

下面是家用小DC图像传感器尺寸换算为公制的大小(单位为毫米): 
2/3英寸的画幅面积为(8.8×6.6mm)
1/1.8英寸的画幅面积为(7.178×5.319mm) 
1/2英寸的画幅面积为(6.4×4.8mm)
1/2.7英寸的画幅面积为(5.27×3.96mm) 
1/3英寸的画幅面积为(4.8×3.6mm)
1/3.2英寸的画幅面积为(4.536×3.416mm) 
1/3.6英寸的画幅面积为(4×3mm)
1/4英寸的画幅面积为(3.2×2.4mm)
1/5英寸的画幅面积为(2.55×1.91mm) 
1/6英寸的画幅面积为(2.15×1.61mm)

 也就是说 1/2.3英寸 面积是最小的。决定数码相机的成像质量有几大件,包括镜头,图像处理器还有就是感光元件,这感光元件是越大越好,当然是越大越贵,这好比你买房子面积越大付出的金钱也就要越多。 这 1/2.3 英寸实际上有多大呢? 咱不说那个运算公式了,直接给答案:约为 23 平方毫米, 非常小,可能跟手机上的按键大小差不多吧,即使是家用数码相机中通常配置感光元件最大的 2/3 英寸也只有 54 平方毫米,但也比 1/2.3 英寸大了不止一倍。 就是大这么一丁点儿的相机卖的一点儿也不便宜,有的要比入门数码单反还贵。 配置1/2.3 英寸的数码相机通常都是低端的或者说虽然不是低端的但多数是长焦相机(光学变焦10倍以上),采用 1/2.3 英寸的好处是相机的体积可以做的很小, 像卡片机之类的都是采用这类感光元件,而采用大一点感光元件的相机体积都要做的大些,当然成像质也会好些。例如1英寸的看见相机是五千多,而2/3英寸的相机是两千多。

 

 

 

2.f=16mm,表示其是定焦镜头,不可变焦。 F=1.4表示其最大光圈是1.4,范围是1.4·--16

相机工业镜头焦距选择计算公式:

计算公式:

CCD 靶面规格尺寸(更多的尺寸可以网上搜):单位mm

规格 1/3" 1/2" 2/3" 1"
W 4.8 6.4 8.8 12.8
H 3.6 4.8 6.6 9.6
由于摄像头画面宽度和高度与电视接收机画面宽度和高度一样,其比例均为4:3,当L 不变,H 或W 增大时,f 变小,当H 或W 不变,L 增大时,f 增大。
举例:假设用1/2”CCD摄像头观测,被测物体宽440毫米,高330毫米,镜头焦点距物体2500毫米。
由公式可以算出:
焦距f=6.4 * 2500 / 440≈36毫米或
焦距f=4.8 * 2500 / 330≈36毫米
当焦距数值算出后,如果没有对应焦距的镜头是很正常的,这时可以根据产品目录选择相近的型号,一般选择比计算值小的,这样视角还会大一些。

3、CS、C接口工业镜头与M12镜头的关系知识:

其中网上售卖的CS、C接口的工业镜头默认都是IR镜头(即全透镜头),表示其就是一块玻璃组成的,可以透过任何的光。而M12镜头就会在全透镜头后面加上了一个IR滤光片,导致其不是全透的。那CS、C接口的滤光片放置在哪里呢,是不是没有安装?答案是有安装,其安装的位置时相机机体上,而不是镜头上,其实镜头都是普通的全透镜头。如果不使用滤光片则会导致其成像不清晰,而且出现严重的偏色

 

 

    原文作者:yangdeshun888
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