少有人走的路（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。
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：
（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：
实验用镜头的参数
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
在下图中，AOB角就是水平视场角，BOC就是垂直视场角。
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）
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）
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）
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
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。^_^
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作者：hackpig
来源：www.skcircle.com
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