机器视觉硬件—相机镜头的选型

相机镜头的选型

1 焦距(Focal Length)

记为f。从镜头中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离。一般情况下，焦距越大，工作距离越大，视角越小；焦距越小，工作距离越小，视角越大。

f/WD= Sensor Size(V) or(H)/FOV(V) or (H)

2 CCD芯片的尺寸（Sensor Size)

正常的 1英寸=25.4mm

CCD相机沿用的 1英寸=16mm 且为对角线长度。

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。

3 光圈系数（Iris）

F=f/D。以镜头焦距f和通光孔的直径D的比值来衡量。F值越大，光圈越小。

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，光圈系数的标称值数字越大，也就表示其实际光圈就越小。一般的厂家都会用F数来表示这一参数。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，F/#的大小是通常通过改变光圈调整环的大小来设置的。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。

光圈可以控制镜头的进光量，也就是光照度，还可以调节景深，以及确定分辨率下系统成像的对比度，从而影响成像质量。一般采用f#来表示光圈，通常情况下都将光圈设置在镜头内部。

公式表示为：F/#=EFL/DEP

其中EFL为有效焦距，DEP为有效入瞳直径，这公式广泛运用于无穷远工作距的情况。

在机器视觉中，由于工作距离有限，物体与透镜非常接近，此时F/#更精确的表示为：

（F/#）w≈（1+ |m |）× F/#

例如：一个F/2.8,放大率为-0.5倍，25mm镜头的（F/#）W为F/4.2。

F/#的正确计算对光照度和成像质量有着不可忽视的影响。

同时，与数值孔径NA也是密切相关的，这点在显微镜和机器视觉上显得尤为重要：

NA=1/[2（F/#）]

随着像元尺寸的持续减小，F/#成为了限制系统成像质量的重要因素，因为它所影响景深和分辨率成反比的关系，景深增大，分辨率就降低。所以根据具体环境选取F/#大小也成为了一个重要的技术指标。

4 接口（Mount）

镜头与相机的连接方式有C/CS/F等，C/CS基本可以通用，螺纹直径均为25mm,只是长度不同，可以用转接环配合。

5 景深

被拍摄物体聚焦清楚后，在物体前后一定距离内，其影像仍然清晰的范围。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。距离拍摄物体越近时，景深越小；

6 分辨率（Resolution)

分辨率(Resolution)又称分辨力、鉴别率、鉴别力、分析力、解像力和分辨本领，是指摄影镜头清晰地再现被摄景物纤微细节的能力。镜头的分辨率是指在成像平面上1mm间距内能分辨开的黑白相间的线条对数，它的单位是“线对/毫米”。显然分辨率越高的镜头，所拍摄的影像越清晰细腻。它的优点是可以量化，用数据表示，使结果更直观、更科学、更严密。

分清传感器水平或者垂直方向上的像素大小，及该方向上物体的尺寸，可以计算出每个像元表示的物体大小，从而计算出分辨率，有助于选择镜头与传感器的最佳配合。

分辨率表示了镜头的解像能力，单位为lp/mm。光学系统的分辨率取决于传感器的像素，分辨率的最终确定，还取决于所选取的相应镜头的成像质量。

Pixel size为像元尺寸，分辨率计算为如下公式：

分辨率（lp/mm）

例如：pixel size=3.45um×3.45um，Number of pixels（H×V）=2048×2050的传感器，视场大小为100mm，则

传感器尺

放大率：

7 工作距离(Working distance WD)

镜头第一个工作面到被测物体的距离

8 视野范围(Field of View, FOV)

相机实际拍到区域的尺寸

9 光学放大倍数（Magnification)

CCD/FOV

10 数值孔径（Numerical Aperture, NA)

11 后背焦（Flange distance)

指相机接口平面到芯片的距离。在线扫描镜头或者大面阵相机的镜头选型时，后背焦是一个非常重要的参数，它直接影响镜头的配置。

12 信噪比

摄像机的图象信号与它的噪声信号之比，用S/N表示。S表示摄像机在假设元噪声时的图像信号值，N表示摄像机本身产生的噪声值(比如热噪声）,二者之比即为信噪比,用分贝(dB)表示。信噪比越高越好，典型值为46dB。

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