一文解析CCD工业相机、镜头倍率计算方法

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。

编辑：黄飞