CCD工业相机、镜头倍率及相关参数计算方法

 

随着自动化的日益剧增，CCD相机、镜头倍率被提上日程，许多小伙伴们开始被客户问到这个问题，大部分无法很好的回答客户的问题，形成CCD相机、镜头倍率如神一般的存在。相信很多小伙伴们都查阅了各大网站和资料，看起来算法很麻烦的样子。可能是基于这个英寸转换问题和对自动化领域相对陌生的原因吧。今天，测量攻城狮挤出一点时间和大家分享一下CCD相机、镜头倍率的算法，让大家都可以说出个一二。  认识CCD结构：CCD相机+镜头  

CCD相机

 

CCD芯片靶面尺寸

 

单位是：mm

 

 

如上图，假设靶面尺寸是1/4”型号，则靶面对角线是4mm，目镜镜头光学放大倍率是0.5X，显示器尺寸为14英寸.

则显示放大倍率=0.5*14*25.4/4=44.45X

假设物镜放大到3X，那么放大倍率=44.45*3=133.35X

 CCD专业名词及型号选择

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，500万像素；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", 500万像素以上。

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 ＝工作距离(WD) × 靶面尺寸( H or V) /视野范围 FOV( H or V)
 视野范围FOV ( H or V)＝工作距离(WD) × 靶面尺寸( H or V) / 焦距f
 视野范围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/视野范围FOV( H or V)
 光学倍率 ＝ 靶面尺寸( H or V) /视野范围FOV( H or V)
   （H代表CCD靶面水平宽度，V代表CCD靶面垂直高度）  

打比方视野是100*100mm, WD是500mm,先从工作距离确定工业镜头的焦距要在50mm以下,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是哪个型号，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。例如：CCD2/3″（长8.8mm×6.6mm），视场范围（长64mm×48mm）光学放大倍率=8.8/64=6.6/48=0.1375  工业相机与镜头分辨率匹配关系镜头的成像质量有它自己的一系列衡量指标，一般来说，相机的成像质量要和镜头的成像质量相对应，差异不能太大。镜头再好，机身传感器的分辨率上不去，其优质的取景能力也表现不出来; 机身画幅和分辨率再高，镜头画质不给力，也捕获不到优秀的画质。一般在对工业相机与镜头选型时，在分辨率匹配方面，为了方便记忆镜头与相机的匹配关系，人们常采用对应相机的分辨率来命名镜头。这种命名方式其实并不科学，同时给新接触视觉系统的人带来了很多误解，经常会机械的套用百万像素分辨率相机对应百万像素镜头，200万像素分辨率相机对应200万像素镜头，而500万像素分辨率相机则对应500像素镜头。其实镜头与相机对应的并不是相机自身的像素分辨率(像素数)，而是各自的极限空间分辨率(即传递函数MTF（MODULATION Transfer Function）对应的空间截止频率)。（注：镜头的分辨率指1mm内可以分辨的黑白对数，镜头的性能主要靠MTF曲线来判断，越是平缓变化的曲线性能越好）  

镜头的选型实例(已定相机选择镜头)已知客户的镜头的尺寸是1/3,接口是CS接口，视野大小为12*10mm要求精度为0.02mm，则应该选用多大分辨率相机？计算方法：(12/0.02)*(10/0.02)=30万像素，但是如果是缺陷检测通常不会只用一个像素表示一个精度，而是乘以3-4倍，即30*4=120万像素。最低不少于120万像素。  

已知客户要求的系统分辨率为0.06mm,像元（相机像素尺寸）大小为4.7um，工作距离大于100mm，光源采用白色LED灯，那么需要多少焦距的镜头？

计算方法：

1）客户如果没有变焦要求，选择定焦镜头就可以

2）如果带有测量功能的尽量用畸变小的镜头或者远心镜头

3）焦距计算

成像放大倍率M=4.7/(0.06*1000)

f=L*M/(M+1)                      

（注意：镜头的成像像面要大于等于CCD尺寸，镜头的接口和相机配合）

 

工业相机传感器尺寸大小

F=2.8mm镜头，拍摄距离为1~4米，拍摄角度为115°

F=3.6mm拍摄距离为2~6米拍摄角度93°

F=6mm 拍摄距离为3~15米 拍摄角度为53°

F=8mm 拍摄距离为4~20米 拍摄角度为40°

F=12mm拍摄距离为5~25米 拍摄角度为25°

F=16mm拍摄距离为5~30米 拍摄角度为20°

F=25mm拍摄距离为20~80米拍摄角度为15°

 

计算工业镜头视场范围

视场的大小=(CCD格式大小)/(光学放大倍率)

例如:光学放大倍率＝0.8X，CCD1/2〃(长4.8mm×宽6.4mm)视场大小:

长＝4.8/0.8＝6(mm),   宽＝6.4/0.8＝8(mm)。

镜头计算公式，Y=f*tanθ y:像的大小 f:焦距θ:半画角，θ=2tan-1*y/2f，例:1/2寸摄像机配12.5mm镜头时画面横向的视场面是:θ=2tan-1*6.4/2*12.5=28.72。

 

 

以上为CCD相机及镜头的简单介绍，要完全理解CCD，还需要去研究数值孔径NA和F#，相机的精度（分辨率（像元）、镜头的精度（分辨率（艾利斑）、线阵相机、面阵相机、远心镜头、景深等知识。在此仅介绍光学倍率、焦距等计算及相关名词的解释。

 

审核编辑 ：李倩

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