勇哥的视觉实验:工业相机镜头焦距、工作距离、视野等选型的计算

(一)CCD和镜头的一些术语解释


镜头工作距离(WD)

      一般是指  镜头物方端面 到 被拍摄物体表面 的物理距离。

光源工作距离(LWD)

      一般是指  光源物方端面 到 被照射物体表面 的物理距离。

视场(FOV)

也称视野,是指能被视觉系统观察到的物方可视范围大小

对于镜头而言,可观察到的视场跟镜头放大倍率及相机芯片选择有关。因此通常建议根据被观察物体的尺寸,先确定所需的视场,再确定相机芯片尺寸及镜头放大倍率。在实际工程项目中,考虑到机械误差等问题,视场通常要大于待观测物体的实际尺寸,以确保在机械误差的范围内,物体始终位于视觉系统的可视范围内。


光学放大倍率

       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:

      光学放大倍率=感光芯片长边/视野长边

   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。


相机芯片尺寸

在前面描述放大倍率和镜头像面尺寸时都涉及到相机芯片尺寸。通常相机厂商是以英寸的形式表示的,但在实际计算时,需要换算成各边以毫米为单位的计量方式。


但有经验的朋友会发现,对于相机芯片尺寸而言,1 inch≠ 25.4mm,而有其特有的换算关系。为方便广大机器视觉从业者进行计算,在此列出常见的相机芯片尺寸对应关系,供参考。

image.png


当然,随着相机芯片的发展,越来越多芯片种类出现。最准确的芯片尺寸计算方法是:相机像素颗数x像素尺寸=芯片尺寸。如某相机分辨率为5120x5120, 像素尺寸为4.5µmx4.5µm, 则芯片为正方形,边长=5120x4.5µm=23040µm=23.04mm。


面阵相机、镜头选型计算公式

光学放大倍率   =   相机芯片长度 / 视野长边   =  焦距f  /  工作距离WD



(二)计算公式


工业镜头的焦距(f mm)可以根据FOV(视场), WD(工作距离) 和CCD芯片尺寸计算出来:


焦距计算公式

焦距f = WD × CCD芯片尺寸( h or v) / FOV( H or V)


下面是常见的CCD芯片

1.1英寸——靶面尺寸为宽12mm*高12mm,对角线17mm

1英寸 ——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm,对角线16mm

2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm,对角线11mm 

1/1.8英寸——靶面尺寸为宽7.2mm*高5.4mm,对角线9mm

1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm,对角线8mm

1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm,对角线6mm 

1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm,对角线4m


f:镜头焦距


H: FOV高度尺寸


V: FOV宽度尺寸

WD:镜头至景物距离


v:   CCD芯片宽度尺寸


h: CCD芯片高度尺寸


再来看看工作距离、视野的计算:


视场FOV( H or V) = CCD芯片尺寸( H or V) / 光学倍率
工作距离WD= f(焦距)× CCD芯片尺寸/FOV( H or V)

光学倍率 = CCD芯片尺寸( H or V) / FOV( H or V)


以上参数画图示意如下:

image.png



(三)硬件参数解释


勇哥实验用的相机与镜头的参数如下:

实验用相机参数:

image.png


实验用镜头的参数

image.png


视场角


镜头中有一个参数是:视场角(D*H*V)如果使用1/2"芯片尺寸的相机的话,其为:51.9°*42.5°*32.4°

它为和视野大小不是一个概念,它的大小解决了视野大小,见下面的说明:


在光学仪器中,以光学仪器的镜头为顶点,以被测

目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角,称为视场角

image.png

在下图中,AOB角就是水平视场角,BOC就是垂直视场角。

image.png

视场角的大小决定了光学仪器的视野范围,视场角越大,视野就越大,光学倍率就越小。通俗地说,目标物体超过这个角就不会被收在镜头里。


视场角(D*H*V),其中的H, V上面已经说清楚了。

但是D也是什么呢? 如下图左边的示例,它应该是对角线构成的直径视场角(勇哥的理解)

image.png


视场角的其它特性如下:


视场角与焦距的关系:一般情况下,视场角越大,焦距就越短。
标准镜头:视角45度左右,使用范围较广。
远摄镜头:视角40度以内,可在远距离情况下拍摄。
广角镜头:视角60度以上,观察范围较大,近处图像有变形。


畸变


镜头在成像时,特别是用短焦距镜头拍摄大视场,图像会产生形变,这种情况叫做镜头的畸变,这是由于镜头的光学结构和成像特性导致的,原因是由于视野中局部放大倍数不一致造成的图像扭曲。拍摄的视场越大,所用的镜头的焦距越短,畸变的程度就越明显,一般有桶型畸变和枕型畸变两种,可以通过图像标定减弱这种平面畸变的影响。

那么上面镜头参数图片中的畸变值是怎么算出来的呢?

请看另一篇贴子的介绍:《如何测试成像畸变?


景深


景深则是镜头另一个重要的外部参数。它表示满足图像清晰度要求的最远位置与最近位置的差值,景深的计算可能会相对麻烦一些。它与镜头焦距、光圈值、工作距离和允许弥散斑的最大直径有关。由于允许弥散斑的最大直径是个相对量,它的可接受直径很大程度上取决于应用,因此在实际视觉应用中以实验和参考镜头给出的参考值为主。简单的说:

  • 光圈越小,景深越深;

  • 焦距越短,景深越深;

  • 对焦距离(工作距离)越远,景深越深;

这个和我们摄影的经验是一样的。

景深要求:对于对景深有要求的项目,尽可能使用小的光圈;在选择放大倍率的镜头时,在项目许可下尽可能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时,倾向选择高景深的尖端镜头。


有了上面的知识,我们再来看看工业相机镜头上刻的参数都是什么意思:


(示例1)

image.png

8mm焦距镜头,最大光圈2.0,感光元件尺寸1/1.8英寸。


(示例2)


image.png

这个是勇哥做实验时用的镜头。

红色指向的是调整聚焦的环(也叫对焦环),蓝色指向的是调整光圈的环。

注意对焦环不是用来调整焦距,而是调整像距,保证清晰图像落在焦平面上。


聚焦环上第一行依次内容为: 8mm(不幸被水印盖住了),1:1.4, C , 1/2“(这张图上看不到)

8mm为焦距,这个镜头固定焦距(定焦镜头)。还有可变焦距的镜头,如果是家用单反相机,焦距可能18mm到140mm可变。

1:1.4 指的最大光圈是1.4,即调到1.4的时候,光圈开得最大。

至于为什么要写成1:1.4,这个勇哥暂时也不清楚。

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2020/4/13勇哥注:

偶尔在一篇文章中看到关于1:1.4是什么含义,因此特摘抄追加注释于此。

 光圈系数是镜头的重要内部参数,它就是镜头相对孔径的倒数,一般的厂家都会用F数来表示这一参数。
 例如,如果镜头的相对孔径是1:2,那么其光圈也就是F2.0。而在相机的镜头上,都会标写上这一指标。
 而由于光圈系数是相对孔径的倒数,因此,如果光圈系数的标称值数字越大,也就表示其实际光圈就越小。
 一般来说,镜头的光圈排列顺序是:1、1.4、2.0、2.8、3.5、4.0、5.6、8.0、11、16、22、32等等。
 随着数值的增大,其实际光孔大小也就随之减小,而其在相同快门时间内的光通量也就随之减小

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这是插一个题外话,貌似最大光圈能反映出制造厂家的实力,请看下面的百度知道的摘抄:

光圈1.4和1.2能有多大差距?
光圈1.4和1.2能有多大差距,差距肯定是有的:
1、从光圈值来说,1.4和1.2差了约半档,所以从进光量来说区别不是很大。
2、从制造镜头的角度来说,从1.4上到1.2,它的制造难度要高得多,绝对不是1.4比1.2的关系,
我见过F=1.0的镜头,杂志上见过F=0.8的镜头,这个属于技术含量的产品,不是用差多少来表达的。
而生产厂版也是一种自豪,并非每家厂都有这种实力。
3、用大光圈的镜头,它也属于一种身份的象征,买个QQ一样开,何必去买劳斯莱斯,
这是我们的想法,但是买劳斯莱斯的人不是这样想的。

C是相机的镜头接口类型

1/2"是镜头成像圈所对应的感光靶规格.
常见的有1/3", 1/2", 2/3"和 1". 1"的镜头可兼容1/3", 1/2", 2/3"感光靶. 但1/3"镜头用在1/2", 2/3"和1"感光靶上通常会有暗zhidao角.


聚焦环上第二行印着0.1,  0.2, 0.3, 0.5, 1, m

指示当前焦点的位置,单位米,∞为无限远


光圈环上印着:16,8,4,2.8,2, 1.4

最小数字1.4为最大光圈,16为最小光圈


(示例3)

勇哥放一张家用单反相机的镜头上的标识,和工业相机的镜对比一下区别

image.png

第一个是对焦环刻度标尺,指示当前焦点的位置,单位“ft”是英制长度单位英尺 “foot”的英文缩写,“m”是公制长度单位米 “meter”的英文缩写,∞代表无限远;
第二个是变焦环刻度标尺,指示当前镜头的实际焦距,单位毫米mm;
第三个是光圈环刻度标尺,指示当前的光圈值,数值表示相应的F值,C代表关闭,Closed。



有关上述计算公式的实际编码测试,见勇哥另一篇贴子《勇哥关于相机镜头选型的小总结:工业相机镜头选型计算的小程序

下面勇哥用这个小程序来为相机选择一款镜头:


需求如下:

相机配置为: 芯片长宽为5.7*4.3mm, 分辨率为:2592*1944, 像元尺寸为2.2*2.2um

物距:60mm

视野大小:12mm*9mm


把参数填写好,点击“保存设定”,然后“计算”,结果如下图所示:

勇哥需要配一个焦距为28.512mm的镜头。

这个结果对不对呢,有个很简单的办法验证。

去问问淘宝上卖镜头的商家,把上面的参数告诉他,让他帮助我们挑一款镜头。^_^


image.png



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作者:hackpig

来源:www.skcircle.com

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#转载请注明出处 www.skcircle.com 《少有人走的路》勇哥的工业自动化技术网站。如果需要本贴图片源码等资源,请向勇哥索取。
  • 评论列表:
  •  访客
     发布于 2020-08-27 09:29:03  回复该评论
  • 为什么算出来的焦距用在相机上只有一半的视野出来
    •  访客
       发布于 2020-08-27 09:29:43  回复该评论
    • 就是算出来16mm焦距镜头 安装上相机只有一半的视野

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