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一、工业镜头介绍

镜头的主要作用是

将目标成像在图像传感器的光敏面上。

下图左一的型号为 焦距 50mm  最大光圈为F1.6 镜头的像面尺寸为2/3英寸（最大能够兼容CCD芯片尺寸）

二、工业镜头的分类

镜头的主要分类是

按功能分类：定焦镜头、变焦镜头

按视角分类：标准镜头、广角镜头、远摄镜头

按焦距分类：短焦距镜头、中焦距镜头、长焦距镜头

按用途分类：普通镜头、微距镜头、远心镜头

三、关键参数讲解

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）

四、关键参数讲解

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。

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

五、关键参数讲解

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。

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；

视场角

以镜头为顶点，被测目标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。它决定了光学仪器（如相机、显微镜等）的视野范围。

六、镜头的详细硬件参数

七、镜头的接口

按接口的不同，镜头可分为 C - MOUNT 和 CS - MOUNT 。

( 1) C - MOUNT

       C - MOUNT 即 C 接口镜头，是目前机器视觉系统中使用最广泛的镜头、具有重量轻、体积小、价廉、品种多等优点，它的接口螺纹参数为：公称直径＝1英寸，爆距＝32牙（1-32UN)。

(2) CS - MOUNT

       CS - MOUNT 即 CS 接口，是为新的 CCD 相机而设计的。随着 CCD 集成度越来越高，相同分辨率的光敏阵列越来越小，设计的 CS - MOUNT 更适用于有效光敏传感器尺寸更小的相机。

      除了普遍的 C 接口和 CS 接口外，还有用于大分辨率面阵相机及线阵相机的 F 接M2接口，M72接口及用于靶面较大或特殊镜头的 V 接口。 F 接口是尼康镜头的接口标准，又称尼康口，一般靶面尺寸大约为1英寸的工业相机需要用 F 接口的镜头。

      C 接口和 CS 接口的区别仅仅在于镜头的安装基准面到焦点的距离不同。 C 接口的距离是17.526 mm ，而 CS 接口是12.5mm。它们之间相差约5mm。因此，具有 CS 接口的相机，可以与 C 接口或 CS 接口的镜头连接，但使用 C 接口镜头时需加装一个接圈；具有 C 接口的相机只能与 C 接口的镜头连接，而不能与 CS 接口的镜头连接，否则不但不能获得良好的聚焦，还有可能损坏 CCD 靶面（部分 C 接口相机可以拧掉接圈转换成 CS 接口）。但有一个例外，即 C 接口的3CCD相机不能和 C 接口的镜头协同工作。

八、远心镜头

远心镜头（ Telecentric ）主要是为纠正传统工业镜头视差而设计的，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍数不会变化，这对被测物体不在同一物面上的情况是非常重要的。远心镜头由于其特有的平行光路设计，一直被对镜头畸变要求很高的机器视觉应用场合所青睐。设计远心镜头的目的是消除由于被测物体（或 CCD 芯片）与镜头距离不一致，造成放大倍率不同的影响。

远心镜头的选择

        远心镜头和相机的匹配选择原则和普通工业镜头相同，只要其镜头的规格大于或等于相机的靶面即可。使用过程中需注意，在远心镜头的物镜垂直下方区域内的像都是远心成像，而超出此区域的像就不是严格意义上的远心成像了，这点在实际的使用中一定要注意，否则会产生不必要的偏差。基于远心镜头的原理特征及独特优势，在以下六种情况下，最好选用远心镜头：

(1）需要检测有厚度的物体（厚度＞FOV直径/10）

(2）需要检测不在同一平面的物体。

(3）物体到镜头的距离未知。

(4）需要检测带孔径的三维物体。

(5）需要低畸变率且图像的亮度完全一致。

(6）缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到。

       根据使用情况（物体尺寸和需要的分辨率）选择物方尺寸（拍摄范围）合适的物方镜头和 CCD 或 CMOS 相机，同时结合像方尺寸（使用 CCD 的靶面大小）即可计算出放大倍数，然后选择合适的像方镜头。在选择过程中，还应注意景深指标的影响，因为像／物倍数越大，景深越小。为了得到合适的景深，可能还需要重新选择镜头。

九、选型案例

案例分析:

已知条件:工业相机型号已经选择好,具体参数:工业相机芯片尺寸为2/3",C接口，5百万像素;

视野是100*100mm, 工作距离:500mm;

根据以上条件,我们来选择合适的工业镜头;

镜头接口:         首先工业镜头要和工业相机接口一致,所以这里也选择C接口;

镜头大小:        遵循镜头大小要大于相机的芯片大小,所以这里镜头尺寸最少支持2/3";

镜头分辨率:    镜头的分辨率要高于相机的分辨率,所以选择5百万像素以上;

焦距:                  500(工作距离)× 8.8(芯片水平长度)/ 100(视野)=44mm;

镜头放大倍率:  8.8(芯片水平长度)/ 100=0.088

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