机器视觉：工业镜头

文章目录

• 一、工业镜头选型
• 二、工业镜头参数
• • [2.1 靶面尺寸](#2.1 靶面尺寸)
  • [2.2 焦距](#2.2 焦距)
  • [2.3 视场角](#2.3 视场角)
  • • [1. 已知参数](#1. 已知参数)
    • [2. 靶面尺寸转换](#2. 靶面尺寸转换)
    • [3. 视场角计算公式（远心/物方远心镜头除外）](#3. 视场角计算公式（远心/物方远心镜头除外）)
    • [4. 具体计算过程](#4. 具体计算过程)
  • [2.4 物距](#2.4 物距)
  • • [1. 实操中的简化测量方法](#1. 实操中的简化测量方法)
    • [2. 特殊镜头的物距测量](#2. 特殊镜头的物距测量)
    • [3. 实例分析](#3. 实例分析)
    • • 机械尺寸参数（单位：mm）

一、工业镜头选型

工业镜头的靶面尺寸通常建议大于或等于工业相机的靶面尺寸。这一原则的核心目的是避免 "暗角"（画面边缘发黑）、保证成像完整性，并充分利用镜头的光学性能。

1. 镜头靶面 = 相机靶面（最常用、性价比最高）
   适用场景：多数常规工业检测（如尺寸测量、缺陷检测、定位等），对视野范围无特殊扩展需求；
2. 镜头靶面 ＞ 相机靶面（特定需求场景）
   1. 适用场景 1：需要 "大光圈 + 低畸变" 的高精度检测（如弱光环境下的高速成像）------ 靶面更大的镜头通常能设计更大光圈（进光量更多），且边缘畸变控制更好，即使传感器只用到镜头成像区域的 "中心部分"，也能获得更高的画质；
   2. 适用场景 2：未来可能升级相机（如现有相机为 1/2 英寸，计划后续换成 2/3 英寸相机）------ 提前选用更大靶面的镜头（如 2/3 英寸），可避免后续换相机时重新换镜头，降低升级成本；
      注意：需确保镜头的 "接口类型" 与相机匹配（如 C 口、CS 口、F 口等），避免机械安装不兼容（部分大靶面镜头可能需要转接环）。

二、工业镜头参数

2.1 靶面尺寸

• 工业镜头的 "靶面尺寸" 是指镜头设计时适配的最大传感器尺寸（如 1 英寸、2/3 英寸、1/2 英寸等），代表镜头能清晰成像的最大区域范围。
• 工业相机的 "靶面尺寸" 即其图像传感器（CCD/CMOS）的实际尺寸，是相机需要接收完整图像的区域范围。

两者的匹配关系可类比为 "窗户（镜头）与画框（相机传感器）"：

1. 若镜头靶面 ≥ 相机靶面：镜头的成像区域能完全覆盖相机传感器，传感器所有像素都能接收到清晰光线，画面无暗角、边缘成像质量有保障（尤其镜头中心到边缘的分辨率衰减更平缓）；
2. 若镜头靶面 ＜ 相机靶面：镜头的成像区域无法覆盖传感器边缘，传感器边缘像素接收的光线会明显减弱或失真，导致画面出现 "暗角"（边缘发黑、亮度降低），甚至部分区域无成像，直接影响检测精度（如边缘特征无法识别）。

2.2 焦距

焦距决定 "视野大小"（相同靶面下，焦距越短，视野越大；反之则视野越小）。

例如：同样是 2/3 英寸靶面的相机，搭配 2/3 英寸靶面、6mm 焦距的镜头，视野会比搭配 2/3 英寸靶面、12mm 焦距的镜头更大，但两者均无暗角（因靶面匹配）。

2.3 视场角

计算工业镜头的视场角（Field of View, FOV），核心是根据镜头焦距 、传感器靶面尺寸 和工作距离的几何关系推导。

1. 已知参数

• 镜头焦距 ( f = 6\ \text{mm} )
• 相机靶面尺寸：1/2.9英寸（需先转换为实际物理尺寸）
• 视场角分为：水平视场角（HFOV） 、垂直视场角（VFOV） 、对角线视场角（DFOV），需结合传感器长宽比计算（默认工业相机主流比例：1440×1080为4:3，1920×1080为16:9，此处按常见16:9和4:3分别计算）。

2. 靶面尺寸转换

相机"1/2.9英寸"是标称靶面，实际对角线长度需按行业标准换算：

• 标称靶面与实际对角线的关系：1/2.9英寸 ≈ 6.46 mm（行业通用换算值，源于传感器设计标准）。
• 按比例计算传感器实际长宽（物理尺寸）：
  • 16:9比例（主流工业相机/监控相机）： 5.63 mmx3.17 mm
  • 4:3比例（部分工业检测相机）： 5.17 mmX3.88 mm

3. 视场角计算公式（远心/物方远心镜头除外）

工业镜头（非远心）的视场角遵循三角几何关系 ，假设工作距离远大于焦距（满足"小角度近似"，多数工业场景适用），公式简化为：

• 水平视场角（HFOV）：用靶面水平边长（W） 计算；
• 垂直视场角（VFOV）：用靶面垂直边长（H） 计算；
• 对角线视场角（DFOV）：用靶面对角线长度（D） 计算。

是的，工业相机的视场（FOV） 是按照实际工作距离（WD） 计算的，这是工业视觉选型和调试的核心实操方法。

• 公式逻辑：工作距离是镜头前端到物体的实际物理距离，直接决定了"镜头能捕捉到的物体范围大小"；
• 与理论物距的区别 ：虽然光学理论上视场角的计算基准是物方主平面 ，但物距是理论值（无法直接测量），实际工程中均用工作距离替代，误差在工业检测的允许范围内（通常＜5%）。

实操注意事项

1. 必须用实际工作距离：镜头手册中的视场参数通常是"典型工作距离下的参考值"，实际调试时需测量镜头前端到物体的真实距离，代入公式计算，避免因安装误差导致视场不符。
2. 最小工作距离限制 ：若工作距离小于镜头的 最小工作距离（M.O.D.），镜头无法清晰对焦，此时计算的视场无实际意义。
3. 远心镜头的特殊情况 ：远心镜头的视场与工作距离无关（仅由镜头的靶面适配尺寸决定），但仍需保证物体位于厂商标定的"有效工作距离范围"内，才能实现无畸变成像。

工业场景中计算FOV时，完全以工作距离为基准，这是兼顾实用性和精度的工程方法；只有在高精度光学仿真（如镜头设计）中，才会使用物方主平面为基准的理论物距计算。

4. 具体计算过程

1. 16:9比例（主流场景，如1920×1080分辨率）：50.2°X29.4°X57.0°
2. 4:3比例（部分工业检测相机，如1440×1080分辨率）:46.4°X36.2°X57.0°

2.4 物距

在工业相机镜头的光学计算中，物距（ u u u）的测量起点是镜头的 物方主平面（Object Principal Plane），终点是被测物体的表面。这是光学系统中物距的标准定义，直接决定成像的清晰度和放大倍率。

工业镜头属于共轴光学系统，存在两个关键的主平面：

1. 物方主平面（ H H H）：光线从物体侧进入镜头时，等效的折射参考平面，是物距的测量起点。
2. 像方主平面（ H ′ H' H′）：光线从镜头出射至传感器侧的等效折射参考平面，是像距（传感器到该平面的距离）的测量起点。

主平面是光学设计的理论平面，并非镜头的物理端面，其位置由镜头的镜片组结构决定（如焦距、镜片数量、镜片曲率）。

1. 实操中的简化测量方法

由于主平面的位置无法直接观察，实际应用中（如手动调焦、计算视野大小），行业普遍采用近似测量法，误差在工业检测的允许范围内：

1. 标准近似：镜头的 法兰面（Flange Face）作为参考点

   法兰面是镜头与相机的安装基准面（如C口、CS口镜头的金属安装端面），厂商会在镜头手册中标注 "法兰焦距（Flange Focal Distance）" ------即法兰面到像方主平面的距离。

   物距近似公式：u≈物体到法兰面的距离+法兰焦距

   例：某C口镜头的法兰焦距为17.526mm，若物体到法兰面的距离为200mm，则近似物距 u ≈ 200 + 17.526 = 217.526 mm u≈200+17.526=217.526\ \text{mm} u≈200+17.526=217.526 mm。

2. 粗略估算：镜头的 前端面（最外层镜片表面）作为参考点

   对于短焦距、低倍率的普通工业镜头，主平面的位置接近镜头前端面，可直接测量物体到镜头前端镜片的距离作为物距，误差通常＜5%，满足常规检测（如尺寸测量、缺陷检测）的需求。

2. 特殊镜头的物距测量

1. 远心镜头

   远心镜头的物方主平面位于无穷远处，其物距的定义是物体到镜头物方远心孔径光阑的距离 ，且只有在特定的"共轭距离"范围内，才能实现无透视畸变的成像。

   需严格按照厂商提供的工作距离（WD） 标定，工作距离即为远心镜头的标称物距。

2. 微距镜头

   微距镜头的主平面可能位于镜头外部（因镜片组的前伸设计），厂商会直接标注物像共轭距离（物距+像距），需结合手册参数计算实际物距。

3. 实例分析

1. Ff 17.526 (IN AIR)

   表示法兰焦距（Flange Focal Distance）：镜头安装法兰面（与相机连接的端面）到像方主平面的距离为17.526mm，这是C口镜头的标准法兰焦距（C口镜头的法兰焦距统一为17.526mm）。

2. Bf 11.44 (IN AIR)

   表示后焦距（Back Focal Length）：镜头最后一片镜片到像方主平面的距离为11.44mm，用于评估镜头与相机传感器的安装间隙。

3. "AT ∞"标识（如36.7/AT ∞、7.3/AT ∞）

   表示当物距为无穷远时对应的尺寸：

   • 36.7/AT ∞：物距无穷远时，镜头整体的轴向长度（从最前端到法兰面）为36.7mm；
   • 7.3/AT ∞：物距无穷远时，法兰面到镜头后端突出部分的长度为7.3mm。

机械尺寸参数（单位：mm）

1. 整体外形尺寸

   • 最大直径：⌀28.5（镜头主体的最大外径为28.5mm）；
   • 螺纹规格：M27×0.5（镜头前端的螺纹为M27、螺距0.5mm，通常用于安装滤镜、遮光罩）。

2. 局部尺寸

   • 3.8：镜头调节部件（如对焦环）的轴向宽度为3.8mm；
   • 16：镜头中部凸起结构的轴向长度为16mm；
   • 4：法兰面前端的台阶宽度为4mm；
   • ⌀17.8：镜头后端（靠近法兰面）的内径为17.8mm；
   • 1-32UNF：镜头后端的螺纹规格（1英寸、32牙的统一细牙螺纹，用于连接转接环等附件）；
   • ⌀23.5：镜头后端的外径为23.5mm。