机器视觉

一、工业镜头光学放大倍率的计算方法

二、工业镜头对应视场范围的计算方法

附：常见工业相机传感器尺寸大小

1/4″：3.2mm×2.4mm；

1/3″：4.8mm×3.6mm；

1/2″：6.4mm×4.8mm；

2/3″：8.8×6.6mm；

1″：12.8mm×9.6mm

工业镜头专业术语详解

机器视觉系统中，工业镜头相当于人的眼睛，其主要作用是将目标的光学图像聚焦在图像传感器（相机）的光敏面阵上。视觉系统处理的所有图像信息均通过工业镜头得到，工业镜头的质量直接影响到视觉系统的整体性能。下面对机器视觉工业镜头的相关专业术语做以详解。

一、远心光学系统：

　　指主光线*行于工业镜头光学轴的光学系统。而光从物体朝向镜头发出，与光学轴保持*行，甚至在轴外同样如此，则称为物体侧远心光学系统。

二、远心镜头：

　　远心镜头指主光线与镜头光源*行的工业镜头。有物方远心，像方远心，双侧远心。

       普通工业镜头

主光线与镜头光轴有角度，因此工件上下移动时，像的大小有变化。

        双侧远心境头

主物方，像方均为主光线与光轴*行光圈可变，可以得到高的景深，比物方远心境头更能得到稳定的像最适合于测量用图像处理光学系统，但是大型化成本高

       物方远心境头

只是物方主光线与镜头主轴*行

工件上下变化，图像的大小基本不会变化使用同轴落射照明时的必要条件，小型化亦可对应

       像方远心境头

只是像方主光线与镜头光轴*行　　相机侧即使有安装个体差，也可以吸收摄影倍率的变化　　用于色偏移补偿，摄像机本应都采用这种镜头 

三、远心光学系统的特色：

优点：更小的尺寸。减少镜头数量，可降低成本。

缺点：上下移动物体表面时，会改变物体尺寸或位置。

优点：上下移动物体表面时，不会改变物体尺寸或位置。使用同轴照明时。可使用更小的尺寸缺点：未使用同轴照明时，大于标准镜头的尺寸

四、远心：

　　远心度是指物体的倍率误差。倍率误差越小，远心度越高。远心度有各种不同的用途，在镜头使用前，把握远心度很重要。远心镜头的主光线与镜头的光轴*行，远心度不好，远心镜头的使用效果就不好；远心度可以用下图进行简单的确认。

五、分辨率（μm）：

　　光学系能力的尺度，表示黑白格状图案通过镜头观察时，1mm中可以分辨观察到黑白条纹的最多对数。分辨率为两点间在无法识别前，能靠*的最*距离测量值，例如1μm的分辨率代表两点间在无法识别前，能靠*的最*距离为1μm。以下为根据镜头的无相差光衍射情况计算理论分辨率的公式。

六、分辨力(Lines／mm)：

　　分辩力指黑白网线图镜头里影像内1mm面积，可识别的黑白两色条纹数。分辨力的单位为线条/mm，例如100线条/mm代表可识别黑白间距1/100mm(10μm)。黑白线条的宽度为1/200mm(5μm)。

七、水*TV分辨率（TV线条）：

　　宽度里的黑白水*线总条数，相当于电视机屏幕垂直高度的高度值。屏幕的垂直与水*长度比率通常为3:4，因此水*宽度里的总条数为3/4。电视机水*分辨率为240TV条线，电视机屏幕水*宽度的总条数为320条线。测量镜头的分辨率时，一组黑色与白色线条应视为一条线，但是在电视机分辨率线条方面，一组视为2TV线条。

八、失真（%）：

　　失真为光学轴外的直型物体，呈现曲线时的镜头像差。镜头失真也称为镜头畸变，即光学透镜固有的透视失真的总称，可分为枕形失真和桶形失真，直线朝向中心的失真情况为枕形失真(Pincushion Distortion），向外扩张的失真称为桶形失真(Barrel Distortion)。如下图示：

九、TV失真（%）：

　　TV屏幕上的影像失真。数值越接*零，牲能越高。

十、电视失真：

　　实际边长的歪曲形状与理想的形状的百分比算出的值。

十一、孔径效率边际光量（%）：

　　孔径效率为使用镜头拍摄均匀亮度的物体时，成像盘光学轴与四周区域之间的亮度差异，单位为百分比（%），假设中央亮度为100，为镜头的光学特征之一。

十二、遮蔽（%）：

　　遮蔽为使用镜头与CCD-TV镜头拍摄均匀亮度的物体时，电视机屏幕中央与边缘之间的亮度差异，单位为百分比（%）。通常使用受光组件与CCD组件的功率比计算此百分比。遮蔽意指镜头与TV镜头的整体表现，可使用远心光学系统以缩小遮蔽的情况。

十三、色差：

　　在镜头光学统中，形成影像的位置与影像放大倍率随光线波长的不同而不同。不同波长的光线有不同的颜色，这叫做色彩失真。光学轴上的失真叫做色彩失真。放大倍率的差异则叫做放大倍率色彩失真。

十四、工作距离（WD）（mm）：

　　工作距离指镜头第一个工作面到被测物体的距离。

十七、景深：

　　深度为与物体从最佳焦点前后移动时．出现最锐利焦点的最*点与最远点之间的距离。物体侧的深度范围称为景深。同样，照相机侧的范围称为焦点深度。具体的景深的值多少略有不同。景深（Depth of Field）可以用以下的计算式计算出来：

　　　　景深 = 2 x Permissible COC x 实效F / 光学倍率2 = 允许误差值 / (NA x 光学倍率)(使用的是0.04mm的Permissible COC)

　　通过镜头的影像理论土会形成点状。清晰影像上出现可接受的摸糊情况，称为可接受的弥散圆。

十八、焦深：

　　深度为当CCD从最佳焦点前后移动时，出现最锐利焦点的最*点与最远点之间的距离。影像侧的深度范围称为焦深。

十九、后截距（mm）：

　　从镜头安装座盘前端到影像的距离。

二十、C安装座规格：

二十一、数值孔径 NA，NA'：

　　当物体在入射光孔上产生的半角为u，且折射率为n，n x sinu为物体侧数值孔经（NA）。　　当物体在出射光孔上产生的半角为u'，且折射率为n'，n' x sinu' 为影像侧数值孔径{NA'）。

NA=n x sinu　　　　　　NA'=n' x sin u'

　　NA越高，镜头的分辨率与亮度越佳。如下图所示 入射角度 u, 物体侧折射率n, 成像侧的折射率' n'：NA = NA' x 放大率

　　对于Macro镜头，NA =M/2 xF　NA' = 1/2 xF　NA=NA' x光学倍率　NA'=NA x光学倍率

二十二、F值F No：

　　此值指镜头的亮度。将镜头对焦距离除以物体侧的有效直径（入射光孔直径Dmm)，即可得到此数值，也可使用NA与镜头的光学放大倍率(β)计算。数值越小，镜头越明亮。F No=焦距/入射孔径或有効口径=f／D

二十三、有效F No：

　　此值为具体在有限距离内的镜头亮度，指实际操作时的亮度。光学放大倍率越高(β)，镜头越暗。实效F = (1 +光学倍率) x F#，实效F = 光学倍率 / 2NA

二十四、光学放大倍率β：

β

二十五、光学倍率：

　　放大倍率（Magnification）指的是通过镜头的调整能够改变拍摄对象原本成像面积的大小。光学倍率就是通过光学镜头变倍的放大倍率。主要点与成像的关系：放大率是指成像大小与物体的比。

二十六、电子放大倍率：

　　电子放大倍率为影像在显示器屏幕上显示时与在CCD上显示相比的放大倍率。

二十七、显示器放大倍率：

　　 显示器放大倍率为通过镜头在显示器呈现物体的放大倍率。　　　　显示器放大倍率=(光学放大倍率β) x (电子放大倍率)　　 (计算范例) 光学放大倍率=02x，CCD尺寸1/2"(对角线8mm)，显示器1/4"：　　　　 电子放大倍率=14 x25.4/8=44.45　　　　 显示器放大倍率=0.2x44.45=8.89(倍) (1英寸=25.44mm)

※有时根据TV监视器的扫描状态，以上的简易计算将有一些变化。

二十八、视野(FOV)：

　　视野指使用照相机以后看到的物体侧的范围。　　照相机有效区域的纵向长度（V）/光学倍率（M）＝视野（V）　　照相机有效区域的横向长度（H）/光学倍率（M）＝视野（H）　　照相机有效区域的纵向长度（V）or（H）=照相机一个画素的尺寸×有効画素数（V）or（H）来计算。　　（计算范例)　　光学放大倍率=0.2x，CCD尺寸1／2"（长4.8mm，宽6.4mm}：　　 　　 　　　　视野尺寸 长度=4.8／0.2=24(mm)　　 　　 　　 　　 　　　宽度=6.4／0.2=32{mm)

二十九、解析度：

　　表示了所能见到了2点的间隔0.61x 使用波长(λ)/ NA=解析度(μ),以上的计算方法理论上可以计算出解析度，但不包括失真。※使用波长为550nm

三十、解像力：

　　１mm中间可以看到黑白线的条数。单位（lp）/mm

三十一、MTF（Modulation Transfer Function）：

　　成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度。

三十二、成像圈：

　　 成像尺寸φ，要输入相机感应器尺寸。

三十三、照相机 Mount：

　　C-mount: 1" diameter x 32 TPI: FB: 17.526mm，CS-mount: 1" diameter x 32 TPI: FB: 12.526mm，F-mount: FB:46.5mm，M72-Mount: FB 厂家各有不同。

三十四、边缘亮度：

　　相对照度是指中央的照度与周边的照度的百分比。

三十五、通风盘及解析度：

　　Airy Disk（通风盘）是指通过没有失真的镜头在将光集中一点时，实际上形成的是一个同心圆。这个同心圆就叫做Airy Disk。Airy Disk的半径r可以通过以下的计算公式计算出来。这个值称为解析度。ｒ= 0.61λ/NA Airy Disk的半径随波长改变而改变，波长越长，光越难集中于一点。 例：NA0.07的镜头 波長550nm r=0.61*0.55/0.07=4.8μ

三十六、 MTF 及解析度：

　　MTF（Modulation Transfer Function) 是指物体表面的浓淡变化，成像侧也被再现出来。表示镜头的成像性能，成像再现物体的对比度的程度。测试对比性能，用的是具有特定空间周波数的黑白间隔测试。空间周波数是指１mm的距离浓淡变化的程度。

　　图1所示，黑白矩阵波，黑白的对比度为100%.这个对象被镜头摄影后，成像的对比度的变化被定量化。基本上，不管什么镜头，都会出现对比度降低的情况。最终对比度降低至0%。，不能进行颜色的区别。

　　图2、图3显示了物体侧与成像侧的空间周波数的变化。横轴表示空间周波数，纵轴表示亮度。物体侧与成像侧的对比度由A、B计算出来。MTF由A,B的比率计算出来。

　　解析度与MTF的关系：解析度是指2点之间怎样被分离认识的间隔。一般从解析度的值可以判断出镜头的好坏，但是实际是MTF与解析度有很大的关系。图4显示了两个不同镜头的MTF曲线。镜头a 解析度低但是具有高对比度。镜头b对比度低但是解析度高。

三十七、微距镜头：

　　不用*接环或特写镜头而实现扩大摄影，为*接摄影而设计的镜头，有限远（=从物镜出射的光，在一定距离处聚焦）

三十八、CCTV镜头：

　　适合于广范围的扩大观察，需要严格精度时不适合，无限远（=从物镜出射的光，不聚焦，*行前进）

三十九、变倍镜头：

　　焦距可变镜头，倍率，摄像范围等可以简单改变。适合于需要寻找最合适摄影条件（摄影距离，镜头的焦距）以便于操作的场合使用。不产生聚焦位置移动的称为变倍镜头，产生焦距位置移动的称为变焦镜头。

四十、成像圆：

　　光学系统中成像圆的尺寸，成像圆的尺寸=CCD对角尺寸，和CCD尺寸同样意义。

四十一、后变倍镜头：

　　安装在CCD前面，不改变工作距离，扩大视野范围。F值下降，分辨率、对比度下降，聚焦会有些不准。

四十二、前变倍镜头：

　　安装在镜头前面，工作距离会变化，亮度不变，扩大视野范围。

远心镜头应用简介

远心镜头广泛应用于激光扫描机，影像测量仪，在线检测，医疗设备，自动化设备，机器视觉，显微技术等等很多方面。远心镜头可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，因此，不会出现类似使用标准镜头时三维特征出现的透视变形和图像位置错误。即使在深孔内部的物体，在整个视野中也清晰可见，因此，在检测三维物体时或当图像尺寸和形状精确性十分重要的情况下，远心镜头非常有效。对于精密测量的场合特别适用。

视觉方案中工业镜头的选择要点

一、对工业镜头的选择，我们首先必须确定客户需求：           

二、典型案例：齿轮项目

综上所述选择640*480分辨率、曝光时间为1/10000 S到30 S的工业相机，12mm定焦CCTV镜头。