一文解析CCD工業(yè)相機(jī)、鏡頭倍率計(jì)算方法

隨著自動(dòng)化的日益劇增，CCD相機(jī)、鏡頭倍率被提上日程，許多小伙伴們開(kāi)始被客戶問(wèn)到這個(gè)問(wèn)題，大部分無(wú)法很好的回答客戶的問(wèn)題，形成CCD相機(jī)、鏡頭倍率如神一般的存在。相信很多小伙伴們都查閱了各大網(wǎng)站和資料，看起來(lái)算法很麻煩的樣子?？赡苁腔谶@個(gè)英寸轉(zhuǎn)換問(wèn)題和對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域相對(duì)陌生的原因吧。今天，測(cè)量攻城獅擠出一點(diǎn)時(shí)間和大家分享一下CCD相機(jī)、鏡頭倍率的算法，讓大家都可以說(shuō)出個(gè)一二。

? 認(rèn)識(shí)CCD結(jié)構(gòu)：CCD相機(jī)+鏡頭

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CCD相機(jī)

CCD芯片靶面尺寸

單位是：mm

如上圖，假設(shè)靶面尺寸是1/4”型號(hào)，則靶面對(duì)角線是4mm，目鏡鏡頭光學(xué)放大倍率是0.5X，顯示器尺寸為14英寸.

則顯示放大倍率=0.5*14*25.4/4=44.45X

假設(shè)物鏡放大到3X，那么放大倍率=44.45*3=133.35X

CCD專業(yè)名詞及型號(hào)選擇

首先，要確定工業(yè)相機(jī)的接口、靶面尺寸和分辨率大小。打比方是2/3" 工業(yè)相機(jī)，C接口，500萬(wàn)像素；那么我們可以先確定需要的工業(yè)鏡頭是C接口，最少支持2/3", 500萬(wàn)像素以上。

其次，確定所要達(dá)到的視野范圍(FOV)和工作距離(WD)，然后根據(jù)這兩個(gè)要求和已知的靶面尺寸計(jì)算出工業(yè)鏡頭的焦距(f)。其計(jì)算公式為：

焦距f ＝工作距離(WD) × 靶面尺寸( H or V) /視野范圍 FOV( H or V) 視野范圍FOV ( H or V)＝工作距離(WD) × 靶面尺寸( H or V) / 焦距f 視野范圍FOV( H or V)＝ 靶面尺寸( H or V) / 光學(xué)倍率 工作距離WD = f(焦距）× 靶面尺寸/視野范圍FOV( H or V) 光學(xué)倍率 ＝ 靶面尺寸( H or V) /視野范圍FOV( H or V) ? （H代表CCD靶面水平寬度，V代表CCD靶面垂直高度）

打比方視野是100*100mm, WD是500mm,先從工作距離確定工業(yè)鏡頭的焦距要在50mm以下,市場(chǎng)上工業(yè)鏡頭焦距一般是12mm, 16mm, 20mm, 25mm, 35mm, 50mm, 75mm。再結(jié)合相機(jī)靶面的大小來(lái)確定是哪個(gè)型號(hào)，工業(yè)鏡頭的焦距越小，視場(chǎng)角就越大，視野也就相應(yīng)的更大。 如果靶面為2/3" 可以選擇35mm焦距的工業(yè)鏡頭；靶面1/2" 則需要25mm焦距的工業(yè)鏡頭，或者更小，以此類推。 例如：CCD2/3″（長(zhǎng)8.8mm×6.6mm），視場(chǎng)范圍（長(zhǎng)64mm×48mm） 光學(xué)放大倍率=8.8/64=6.6/48=0.1375 ?

工業(yè)相機(jī)與鏡頭分辨率匹配關(guān)系

鏡頭的成像質(zhì)量有它自己的一系列衡量指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)，相機(jī)的成像質(zhì)量要和鏡頭的成像質(zhì)量相對(duì)應(yīng)，差異不能太大。鏡頭再好，機(jī)身傳感器的分辨率上不去，其優(yōu)質(zhì)的取景能力也表現(xiàn)不出來(lái); 機(jī)身畫(huà)幅和分辨率再高，鏡頭畫(huà)質(zhì)不給力，也捕獲不到優(yōu)秀的畫(huà)質(zhì)。 一般在對(duì)工業(yè)相機(jī)與鏡頭選型時(shí)，在分辨率匹配方面，為了方便記憶鏡頭與相機(jī)的匹配關(guān)系，人們常采用對(duì)應(yīng)相機(jī)的分辨率來(lái)命名鏡頭。這種命名方式其實(shí)并不科學(xué)，同時(shí)給新接觸視覺(jué)系統(tǒng)的人帶來(lái)了很多誤解，經(jīng)常會(huì)機(jī)械的套用百萬(wàn)像素分辨率相機(jī)對(duì)應(yīng)百萬(wàn)像素鏡頭，200萬(wàn)像素分辨率相機(jī)對(duì)應(yīng)200萬(wàn)像素鏡頭，而500萬(wàn)像素分辨率相機(jī)則對(duì)應(yīng)500像素鏡頭。其實(shí)鏡頭與相機(jī)對(duì)應(yīng)的并不是相機(jī)自身的像素分辨率(像素?cái)?shù))，而是各自的極限空間分辨率(即傳遞函數(shù)MTF（MODULATION Transfer Function）對(duì)應(yīng)的空間截止頻率)。 （注：鏡頭的分辨率指1mm內(nèi)可以分辨的黑白對(duì)數(shù)，鏡頭的性能主要靠MTF曲線來(lái)判斷，越是平緩變化的曲線性能越好） ?

鏡頭的選型實(shí)例(已定相機(jī)選擇鏡頭)

已知客戶的鏡頭的尺寸是1/3,接口是CS接口，視野大小為12*10mm要求精度為0.02mm，則應(yīng)該選用多大分辨率相機(jī)？ 計(jì)算方法： (12/0.02)*(10/0.02)=30萬(wàn)像素，但是如果是缺陷檢測(cè)通常不會(huì)只用一個(gè)像素表示一個(gè)精度，而是乘以3-4倍，即30*4=120萬(wàn)像素。最低不少于120萬(wàn)像素。 ?

已知客戶要求的系統(tǒng)分辨率為0.06mm,像元（相機(jī)像素尺寸）大小為4.7um，工作距離大于100mm，光源采用白色LED燈，那么需要多少焦距的鏡頭？

計(jì)算方法：

1）客戶如果沒(méi)有變焦要求，選擇定焦鏡頭就可以

2）如果帶有測(cè)量功能的盡量用畸變小的鏡頭或者遠(yuǎn)心鏡頭

3）焦距計(jì)算

成像放大倍率M=4.7/(0.06*1000)

f=L*M/(M+1) ?????????????????????

（注意：鏡頭的成像像面要大于等于CCD尺寸，鏡頭的接口和相機(jī)配合）

工業(yè)相機(jī)傳感器尺寸大小

F=2.8mm鏡頭，拍攝距離為1~4米，拍攝角度為115°

F=3.6mm拍攝距離為2~6米拍攝角度93°

F=6mm 拍攝距離為3~15米 拍攝角度為53°

F=8mm 拍攝距離為4~20米 拍攝角度為40°

F=12mm拍攝距離為5~25米 拍攝角度為25°

F=16mm拍攝距離為5~30米 拍攝角度為20°

F=25mm拍攝距離為20~80米拍攝角度為15°

計(jì)算工業(yè)鏡頭視場(chǎng)范圍

視場(chǎng)的大小=(CCD格式大小)/(光學(xué)放大倍率)

例如:光學(xué)放大倍率＝0.8X，CCD1/2〃(長(zhǎng)4.8mm×寬6.4mm)視場(chǎng)大小:

長(zhǎng)＝4.8/0.8＝6(mm), ??寬＝6.4/0.8＝8(mm)。

鏡頭計(jì)算公式，Y=f*tanθ y:像的大小 f:焦距θ:半畫(huà)角，θ=2tan-1*y/2f，例:1/2寸攝像機(jī)配12.5mm鏡頭時(shí)畫(huà)面橫向的視場(chǎng)面是:θ=2tan-1*6.4/2*12.5=28.72。

以上為CCD相機(jī)及鏡頭的簡(jiǎn)單介紹，要完全理解CCD，還需要去研究數(shù)值孔徑NA和F#，相機(jī)的精度（分辨率（像元）、鏡頭的精度（分辨率（艾利斑）、線陣相機(jī)、面陣相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭、景深等知識(shí)。在此僅介紹光學(xué)倍率、焦距等計(jì)算及相關(guān)名詞的解釋。

編輯：黃飛

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