工业相机镜头的选型经验

勇哥转载两篇不错的贴子,补充一下这方面的知识。


对于工业镜头选型,是一个非常重要和关键的环节。因为工业镜头选型是否合适与好坏直接影响着机器视觉成像质量。下面POMEAS工程师将结合经过多年的实际案例,分享下工业镜头选型方法和计算公式,仅供大家参考。

image.png

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,5百万像素;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", 5百万像素以上,或者线对在160LP.


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 = WD × 靶面尺寸( H or V) / FOV( H or V)

  视场FOV ( H or V) = WD × 靶面尺寸( H or V) / 焦距f

  视场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/FOV( H or V)

  光学倍率 = 靶面尺寸( H or V) / FOV( H or V)

image.png


打比方视野是100*100mm, WD.是500mm; 那么我们先从工作距离确定工业镜头的焦距要在50mm以下(工业镜头的命名方式PMS-5018M, 前面字母表示POMEAS品牌,50表示焦距50mm, 18表示最大光圈值),市场上工业镜头焦距一般是12mm, 16mm, 20mm, 25mm, 35mm, 50mm, 75mm。再结合相机靶面的大小来确定哪个型号,工业镜头的焦距越小,视场角就越大,视野也就相应的更大。


  如果靶面为2/3" 可以选择35mm焦距的工业镜头;靶面1/2" 则需要25mm焦距的工业镜头,或者更小....以此类推。

  在工业镜头选型过程中,为了方便各位朋友计算工业镜头参数,现提供靶面尺寸表供参考。

  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4mm


---------------------------


随着工业自动化近年来的快速发展,机器视觉方案在各个行业内的检测、定位、特征识别、数据采集等应用中得到越来越多的运用,合适的工业相机和镜头决定了机器视觉成像质量。那在种类繁多的工业相机和镜头中,如何合理地选择工业相机和镜头的搭配呢?


1

相机分辨率





案例1

已知条件

待检测物体大小:10mm x 7mm;

检测精度:0.01mm;

视野范围:12mm x 9mm;


计算

相机最小分辨率=(12/0.01)*(9/0.01)=1200*900≈108万像素;

相机分辨率至少为108万像素;

可以选用130万像素相机(1280*960);

为减小边缘提取时的像素偏移带来的误差,提高系统的精准度和稳定性,实际使用中一般用2-3个像素对应一个最小缺陷或特征;

则相机分辨率=108*3≈324万;

最终选型320万像素相机(2048*1536)


2

镜头像面


为保证画面整体的可应用性,选用镜头的像面尺寸应大于相机芯片的对角线尺寸(以下简称靶面),否则会出现边缘暗角/黑角等情况,影响使用。


常见的三种错误应用的范例


image.png

3

镜头焦距


根据被摄物体的大小我们可以得到视野的大致范围,进而得到物像关系,这里我们用光学放大倍率来表示



公式

     image.png


案例2

已知条件

视野范围:12mm*9mm;

镜头前端距离被测物体距离:60mm;

选用相机:320万像素相机(分辨率2048*1536,像元尺寸3.45um)


计算

①   Sensor长宽尺寸:

       Sensor长度=2048*3.45/1000=7.0656mm

       Sensor高度=1536*3.45/1000=5.2992mm


    image.png

   image.png


   image.png


    image.png


⑥   结论:

选用35mm镜头,搭配320万相机,可以达到12.113mm x 9.085mm的视野,单像素精度5.9μm;

注:标准35mm镜头无法满足60mm近工作距,可使用接圈解决。




再来一个选型的例子:


例如,要给硬币检测成像系统选配工业相机镜头,约束条件:相机CCD 2/3英寸,像素尺寸4.65μm,C口。工作距离大于200mm,系统分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。

基本分析如下:  

1. 与白色LED光源配合使用的,镜头应该是可见光波段。没有变焦要求,选择定焦镜头就可以了。  
2. 用于工业检测,其中带有测量功能,所以所选镜头的畸变要求小。
3. 工作距离和焦距

成像的放大率M=4.65/(0.05x1000)=0.093
焦距f’=L*M/(M+1)=200*0.093/1.093=17mm  
物距要求大于200mm,则选择的镜头要求焦距应该大于17mm。

4. 选择镜头的像面应该不小于CCD尺寸,即至少2/3 英寸。
5. 镜头的接口要求是C口,能配合相机使用。光圈暂无要求。

从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的“轮廓”:焦距大于17mm,定焦,可见光波段,C口,至少能配合2/3英寸CCD使用,而且成像畸变要小。按照这些要求,可以进一步的挑选,如果多款镜头都能符合这些要求,可以择优选用。




 远心镜头选型:

  1,首先先算光学倍率:  芯片尺寸(W 或 H)/视野(宽或长);

   2,查找满足的远心镜头型号,其中工作距离WD不能调。

 

 

镜头的成像距离与视场大小

表一:

百万像素镜头:12mm

靶面尺寸2/3”

相机:BASLER  ACA1300-60GC(1280*1024)

靶面尺寸1/1.8”

工作距离(cm)

视场X轴(cm)

视场Y轴(cm)

15(最小)

10

8

20

12

9.7

25

15

12

30

17.5

14

35

20.5

16.5

40

23

20

45

26

21

50

29

23.5

55

32

25.5

60

34.5

28

65

37

30

表二:

百万像素镜头:16mm

靶面尺寸2/3”

相机:BASLER  ACA1300-60GC(1280*1024)

靶面尺寸1/1.8”

工作距离(cm)

视场X轴(cm)

视场Y轴(cm)

25(最小)

11.2

9

30

13

10.5

35

15.5

12.3

40

17.5

14

45

20

15.5

50

23

17.5

55

24

19

60

25.5

20.5

65

28

22.5

表三:

百万像素镜头:12mm

靶面尺寸2/3”

相机:ACA2500-14GC(2590*1942)

靶面尺寸1/2.5”

工作距离(cm)

视场X轴(cm)

视场Y轴(cm)

15(最小)

8.1

5.7

20

10

7.7

25

12.5

9.5

30

15

11.5

35

17.5

13.2

40

19.8

15

45

22

16.5

50

24.5

18.5

55

27

20.5

60

29

22

65

31.5

23.5

表四:

百万像素镜头:16mm

靶面尺寸2/3”

相机:ACA2500-14GC(2590*1942)

靶面尺寸1/2.5”

工作距离(cm)

视场X轴(cm)

视场Y轴(cm)

25(最小)

10

7

30

11.5

8.5

35

13

10

40

15

11

45

16.5

12.5

50

18.5

14

55

20

15

60

22

16.5

65

23.5

18

表五:

百万像素镜头:25mm

工作尺寸2/3”

相机:BASLER  ACA2500-14GC(2590*1942)

靶面尺寸1/2.5”

工作距离(cm)

视场X轴(cm)

视场Y轴(cm)

30(最小)

7

5.3

35

8.3

6

40

9.5

7

45

10.5

7.8

50

11.5

8.7

55

12.8

9.5

60

14

10.5

65

15

11.3

表六:

百万像素镜头:50mm

靶面尺寸2/3”

相机:BASLER  ACA2500-14GC(2590*1942)

靶面尺寸1/2.5”

工作距离(cm)

视场X轴(cm)

视场Y轴(cm)

47(最小)

5.3

4

50

5.6

4.3

55

6.2

4.9

60

6.8

5.1

64

7.8

5.5

备注:

1,如果镜头的靶面尺寸小于相机的靶面尺寸,那么各工作距离的视场范围只与镜头有关,与用什么相机无关,

2,如果镜头的靶面尺寸大于相机的靶面尺寸,那么各工作距离的视场范围只与相机有关,相机的靶面尺寸变了,视场大小就变。

3,加接圈可以缩小镜头的工作距离,但是会缩小视野。

说明:关于镜头和相机的选择实际还有好多因素如景深、畸变、接口等等,这里只对视场大小和相机分辨率这两个重要因素进行了分析。其它要素选择详见镜头和相机样本。



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