相机、镜头参数详解以及相关计算公式

2024-09-30 09:52:47

一、工业相机参数

1、分辨率

相机每次采集图像的像素点数，也是指这个相机总共有多少个感光晶片。在采集图像时，相机的分辨率对检测精度有很大的影响，在对同样打的视场成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。

相机像素 = 水平分辨率 * 垂直分辨率

芯片尺寸 = 水平像素尺寸 * 水平分辨率

感光芯片尺寸=分辨率∗像元尺寸

分辨率( Pixel ) = 相机视野( mm ) / 像素精度( mm / Pixel )

2、精度

精度指一个像素表示实际物体的大小，用（um*um）/pixel表示。注意，像元尺寸并不等于精度，像元尺寸是相机机械构造时固定的，而精度与相机视野有关，是变化的。精度值越小，精度越高。

单个像素对应的大小 = 视野宽 / 宽度分辨率 = 视野高 / 高度分辨率

镜头倍率 = 芯片尺寸 / 实际所需视野

像素精度 = 像素尺寸 / 镜头倍率

像素精度 = 相机视野 / 相机分辨率

3、帧率/行频

帧率：fps帧率，对应面阵相机，表示每秒能够拍摄的图片张数。

行频：16kHz行频，对应线阵相机，表示每秒能够扫描的行数。最大图像分辨率为分辨率*行频（例2048x16k）；

帧率和行频体现相机的最大工作效率，与曝光共同决定成像图片的明暗，帧率和行频很高且曝光低，则图片很暗；帧率和行频很低且曝光高，则图片很亮。

4、像元尺寸

像元尺寸指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，例如3.75umx3.75um 等。像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。像元尺寸和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小，通常工业相机像元尺寸为2μm~14μm。

像元尺寸（宽） = 传感器尺寸（宽） / 分辨率（宽）

像元尺寸（高） = 传感器尺寸（高） / 分辨率（高）

5、曝光时间

曝光时间时为了将光投射到照相感光材料的感光面上，快门所要打开的时间。曝光时间和实际的帧率成反比，也就是曝光时间越长，实际的采集帧率会越低，一般为3um-10ms。

曝光时间 = 像元尺寸 / 像的运动速度 = 像素精度 / 物体的运动速度

放大倍率 = CCD感光尺寸 / 视场FOV = 焦距 / 工作距离

相机的飞拍曝光数值计算

案例1：物体的运动速度是150mm/s，沿着芯片的水平方向运动，相机是1/2芯片(6.4mm*4.8mm)，视场水平方向长度是20mm,像元尺寸是4.65um，计算成像时不产生拖影的曝光时间。

        首先计算出像的运动速度

        放大倍数 = CCD感光尺寸 / 视场FOV = 6.4mm / 20mm = 0.32，

        像的运动速度 = 放大倍率 * 物体的运动速度 = 0.32 * 150mm/s = 48mm/s，

        曝光时间 = 像元尺寸 / 像的运动速度 = 4.65um / 48mm/s = 0.000097s = 97us，

        最后曝光时间设置为100us即可。

案例2：玻璃转盘设备，使用的相机是GMAX3265(6500万相机，相机的像元尺寸是3.2μm*3.2μm)，0.52倍率的圆心镜头，转盘3600脉冲转一圈，软件设定的运行速度180脉冲/s，玻璃转盘的盘子直径500mm

        计算公式1：

        转盘转一圈的时间 = 一圈的脉冲 / 运行速度 = 3600 / 180 = 20秒；

        物体的运动速度 = 转盘的盘子直径 * 3.14 / 转盘转一圈的时间 = 500 * 3.14 / 20 = 78.5mm/s

        像的运动速度 = 放大倍率 * 物体的运动速度 = 78.5 * 0.52 = 40.82mm/s

        曝光时间 = 像元尺寸 / 像的运动速度 = 3.2 / 40.82 = 78.39us

        最后曝光时间设置为80us

        计算公式2：

        转盘转一圈的时间 = 一圈的脉冲 / 运行速度 = 3600 / 180 = 20秒；

        物体的运动速度 = 转盘的盘子直径 * 3.14 / 转盘转一圈的时间 = 500 * 3.14 / 20 = 78.5mm/s

        像素精度 = 像元尺寸 / 镜头的倍率 = 3.2 / 0.52 = 6.153846um

        曝光时间 = 像素精度 / 物体的运动速度 = 6.153846 / 78.5 = 78.39us

6、靶面尺寸（传感器尺寸）

图像传感器的感光部分的大小，通常指的是图像传感器的对角线长度，在同样镜头情况下，靶面越大，视场越大，靶面越小，视场越小。传感器（CCD/CMOS）尺寸的表示方法大惑不解，因为像1/1.8英寸、2/3英寸之类的尺寸，既不是任何一条边的尺寸，也不是其对角线尺寸，看着这样的尺寸，往往难以形成具体尺寸大小的概念。

传感器类型	宽度（mm)	高度（mm）	对角线（mm）
1/3''	4.800	3.600	6.000
1/2.5''	5.760	4.290	7.182
1'	12.700	9.600	16.000
2/3''	8.800	6.600	11.000
1/2''	6.400	4.800	8.000
4/3''	18.800	13.500	22.500

CCD尺寸一般用英寸来表示，靶面尺寸就是CCD尺寸

靶面尺寸 = 对角线尺寸

靶面面积 = 传感器宽度 * 传感器高度

二、镜头参数

1、焦距

与光轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后，再以锥状扩散开来，这个聚集所有光线的点叫做焦点。对于单个透镜来说，焦距是指从光心到焦点的距离，如图一；对于多个透镜组成的镜头组来说，焦距是指像方主平面到焦点的距离，如图二。

焦距 = （工作距离 * 相机传感器短边尺寸）/ 物体宽度

或焦距 = 工作距离 * 放大倍率

焦距、像距、物距之间的关系：

（1 / 物距）+ （1 / 像距）= （1 / 焦距）

2、光圈

光圈是一个用来控制光线透过镜头进入机身内感光面光量的装置，在拍摄高速运动物体时，由于曝光时间短，需要使用大光圈。

光圈大小一般用F表示，以镜头焦距f和通光孔径直径D的比值来衡量，当光圈物理孔径不变时，镜头中心与感光器件距离越远，F值越大，光圈越小；反之，F值越小，光圈越大。

一般通过调整通光孔径大小来调节光圈，完整的光圈数值系列如下：F1，F1.4，F2，F2.8，F4，F5.6，F8，F11，F16，F22，F32，F44，F64。

光圈系数F = 焦距f / 通光孔径D $F = \frac{f}{D}$

3、分辨率

图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸，多数情况下，视野越小，分辨率越好

4、工作距离

工作距离指的是镜头的最下端到景物之间的距离。一般的镜头是可以看到无限远的，也就是说是没有上限的。镜头上有两个刻度的调节圈分别是调节光圈和调焦圈，在调节圈上标有的刻度表示此时镜头的工作距离。

5、视场（FOV）

视场也叫视野范围，视野指的是镜头能看到的最大范围，也就是镜头所能覆盖的有效工作区域。

6、景深（DOF）

在最小工作距离到最大工作距离之间的范围称为景深（纵向的范围），景深内的物体都可以清晰成像。景深一般可以通过光圈调节，光圈越小，景深越大。

能清晰成像的最近物平面称为近景平面，它与对准平面的距离称为前景深 $\Delta$ L1。

$\Delta L1 = \frac{F\delta L^{2}}{f^{2}+F\delta L}$

能清晰成像的最远物平面称为远景平面，它与对准平面的距离称为后景深 $\Delta$ L2。

$\Delta L2 = \frac{F\delta L^{2}}{f^{2}-F\delta L}$

景深=前景深+后景深：

$\Delta L = \Delta L1 + \Delta L2 = \frac{2f^{2}2F\delta L^{2}}{f^{4}-F^{2}\delta^{2} L^{2}}$

其中： $\delta$ ：容许弥散圆直径，f：镜头焦距，F：镜头的拍摄光圈值，L：对焦距离

光圈，镜头焦距、拍摄距离对景深的影响：

1）、镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

2）、镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；距离越短，景深越大；

3）、拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小

7、视角

视角即视线的角度，也就是镜头能看多"宽"。焦距越小，视角越大，最小工作距离越短，视野越大。

镜头选型实例：

已知客户观察范围为30mm*30mm，工作距离为100mm，CCD尺寸为1/3',那么需要多少焦距的镜头

计算方法：

1/3'=3.6mm（垂直）芯片垂直方向的大小

f=（100*3.6）/30

参考：工业相机与镜头选型方法（含实例）_工业相机选型-****博客

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