机器视觉-相机镜头光源介绍及选型-8.镜头选型

镜头选型
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1.1.选择依据：
    根据物体大小(视野),物距,精度确定相机CCD靶面尺寸;从而计算出焦距,放大率;
    然后根据分辩率,对比度,景深,光圈,接口畸变允许范围等确定型号。

1.2.选择步骤：
    (1) 根据精度确定相机最大CCD靶面尺寸
    (2) 选择镜头焦距-已知CCD尺寸,工作距离(WD)和视野(FOV),可计算镜头焦距(f)
    (3) 镜头视野角度-相机靶面决定了视野
    (4) 确定镜头分辨率-镜头分辨率>=相机分辨率注1
    (5) 选择镜头光圈-通光量,手动自动光圈
        光圈决定图像亮度,高速运动物体曝光时间短,选用大光圈
        光圈值F=镜头焦距/通光孔径
        通光量=1/F^2
    (6) 镜头类别选择-远心,变焦镜头
    (7) 选择镜头接口-CS安装座安装C镜头加5mm接圈；C座安装CS镜头加镜头转换器；

注1：
    # 镜头分辨率与相机对应各自极限空间分辨率(即MTF对应空间截止频率)
    100万像素镜头对应极限空间分辨率为90线对/mm >= 相机极限分辨率
    200万像素镜头对应极限空间分辨率为110线对/mm
    500万像素镜头对应极限空间分辨率为160线对/mm

1/2"CCD靶面镜头最低分辨率=38对线 / mm
    1/3"CCD靶面镜头最低分辨率=50对线 / mm #靶面越小,对镜头分辨率越高

    镜头成像尺寸应同CCD靶面尺寸相一致；有1",2/3",1/2",1/3",1/4",1/5"
    1/2"镜头可用1/2",1/3"相机(视角减少25%)；1/3"镜头用1/3"相机(禁用1 / 2")

    相机极限空间分辨率 = 1/(单个像元尺寸*2)，单位：线对/mm
    实例：
    普密斯工业相机VP-CCN-0130B14BDC，130万,1/3"CCD,像元尺寸3.75um*3.75um.
    相机极限空间分辨率 = 1mm/(3.75um*2)=133.33线对/mm#选择500万像素工业镜头

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2.技术依据

2.1.远心镜头：为纠正传统镜头视差而设计,在一定物距范围内图像放大倍率不随物距变化而变化
2.2.定焦镜头：适用室内固定目标
2.2.变焦镜头：有手动自动;可使目标放大或缩小；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)
2.3.快速聚焦：
    手动光圈镜头：适用光照稳定；可配合快门适用多种光线。
    自动光圈镜头：照明变化大或移动目标；可配合快门适用多种光线。亮度变化大,范围广

2.4.other
    (1)镜头光圈:光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；
    (2)镜头焦距:镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；
    (3)拍摄距离:距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

备注：
调节时当图像模糊不清楚,可调整摄像头后焦点,改变CCD芯片与镜头基准面距离，使图像变得清晰

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3.计算

已知：镜头M2514-MP:f=25mm;H1=26.77mm,选用1/2"(6.4mm*4.8mm)CCD

3.1.视场计算:
    1).前景深： ∆L1=FδL²/(f²+FδL)
    2).后景深： ∆L2=FδL²/(f²-FδL)
    3).景深:    ΔL=∆L1+∆L2

3.2.焦距计算：
    1.1)焦距mm：f=WD*h'/h      (等价：f=WD*CCD(w')/FOV(w))
    1.2)物距：WD=H1*f*h/h'     (等价：工作距离:WD=H1*f*w/w')

2.1)视场FOV:(h or v) = WD * CCD(h' or v') /f
    2.2)视场FOV:(h or v) = CCD(h' or v')/m
    2.3)芯片尺寸CCD:(h' or v')=相机画数*FOV(有效画数h or v)
    2.4)物高：h = h’/m
    2.5)像高：h’ = mh

3.1)光学倍率:m = CCD(h' or v') /FOV(h or v)(等价：放大率：m=h’/h= w’/w)

3.3.视场角计算:
    1.1)Qw = 2arctan (w / 2WD) #水平视场角Qw(水平观看的角度)
    1.2)Qh = 2arctan (h/ 2WD) #垂直视场角Qh(垂直观看的角度)

        #计算视场宽度和高度
    2.1)w = 2WDtan(Qw / 2) (Qw：水平视角)
    2.2)h = 2WDtan(Qh / 2) (Qh：垂直视角)

3.4.备注：
1)参数：
    WD or L:镜头到物体距离(对焦距离)；H1:first primcipal point相机画数
    h,v:物体高宽；h',v'：CCD芯片高度宽度；f：镜头焦距 F:镜头光圈值
    δ:容许弥散圆直径;ΔL1:前景深;ΔL2后景深;ΔL景深

2)CCD靶面规格尺寸：单位mm(1 inch = 16mm ≠25.4mm)
      规格： 1/4" 1/3" 1/2" 2/3" 1"
    w'宽度： 3.6   4.8   6.4   8.8   12.7
    h'高度： 2.7   3.6   4.8   6.6   9.5
    d 斜边： 4.5   6     8     11   15.9

3)弥散圆直径:
    不同厂家、不同面积都有不同容许弥散圆直径定义,常用：
    画幅：            24mm x 36mm     6cm x 9cm    4" x 5"
    弥散圆直径：0.035mm              0.0817mm     0.146mm

4)像元尺寸
像元尺寸是相机芯片上每个像元的实际物理尺寸;常用有2.2,3.45,3.75,4.8,5.5,5.86,7.4μm
像元尺寸越大能接收到光子数量越多,芯片灵敏度越高，感光性越好，所成图像越亮

5)计算说明
    a)景深随镜头的焦距、光圈值、拍摄距离而变化。对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大
    b)视场指被摄取物体大小，视场大小是以镜头至被摄取物体距离，镜头焦距及所要求成像大小确定。
    c)当焦距数值算出后，如没有对应焦距镜头很正常，2/3“镜头f=5-7mm,1“镜头f= 12-75mm,
        可根据产品目录选择相近型号，一般选择比计算值小，这样视角还会大一些

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3.5.实例:200/2.8对焦在5m时，f/2.8的景深：
δ=0.035mm;L=5000mm;F=2.8;f= 200mm

∆L1=FδL²/(f²+FδL) =2.8*0.035*5000*5000/(200*200+2.8*0.035*5000)=60.5mm
∆L2=FδL²/(f²-FδL) =2.8*0.035*5000*5000/(200*200-2.8*0.035*5000)=62.0mm
ΔL=∆L1+∆L2 =122.5mm

结论:该镜头在用f/2.8拍摄时，清晰范围是从4.9395m~5.062m，景深很浅

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4.远心镜头选型计算

光学放大倍率:m=CCD相机元素尺寸/视场实际尺寸=CCD(h' or v')/FOV(h or v)
检测精度=相机像素尺寸v'/m #表示每个像素对点实际尺寸是多少，同样靶面大小相机，像素点越多精度越高

分辨率:表示最小能分辨的细节大小，单位线对LP/mm,表示1mm能分开多少个线对数
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5.国内知名厂商：
http://www.pomeas.cn/newsview/453.html普密斯视觉技术有限公司
https://www.optmv.com/product/camera.html奥普特视觉科技有限公司
上海威朗光

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