工业相机镜头参数和选型

工业相机参数

工业相机主要参数有：帧率，曝光，像元尺寸，分辨率

感光芯片：负责将光信号转换为电信号，即负责成像的。

像元是组成数字图像的最小单元。像元尺寸是感光芯片上面单位像元的尺寸，也就是一个像素的大小。像元尺寸和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面的大小。

注：通常工业相机的像元尺寸：2μm-14μm(微米)，单位一般是微米(μm)。

在感光芯片上，靶面尺寸 = 传感器上真正参与成像的有效感光区域尺寸。

把相机简化成针孔模型：

FOV的全称是Field of View(视场角)。如下图所示，根据摄像头的成像原理的情况来看，每一个摄像头的成像宽度是固定的，对于不同的焦距，视场角α的值不一样的。对应的关系如下，焦距越长，视场角越小；焦距越短，视场角越大。对于视野范围来讲，焦距越长，视野范围也远；焦距越短，视野范围越短。

相机分辨率指的是感光芯片上像元的数量，分辨率由像元数(像素数)确定，通俗来说就是出图的大小，有130万，500万等。

曝光

曝光=通光量×曝光时间×增益

通俗来讲曝光就是光线在感光芯片上的作用强度，曝光方式如下：

全局曝光(GlobalShutter):整个芯片同时曝光(CCD)

卷帘曝光(RollingShutter):逐行滚动曝光(CMOS)

曝光量(通光量)：由镜头光圈控制

曝光时间：由快门控制,曝光时间越长拍摄图片越亮、

注：结构光同步系统搭建时，都要选择相机为全局曝光模式。

镜头

是将目标物体的图像聚焦在相的感光芯片上，通俗来讲属于一种光学系统。

镜头光心到感光靶面的距离为像距(v)，被测物体到镜头光心的距离为物距(u)，焦距(f)是焦点与镜头中心的距离。像距、物距与焦距f关系如下：

相机的镜头是一组透镜，当平行于主光轴的光线穿过透镜时，会聚到一点上，这个点叫做焦点，焦点到透镜中心的距离叫做焦距 f。

理论上，只有处于镜头焦点距离的景物成像是清晰的，在焦点的前后，光线开始聚集和扩散，成像变得模糊，成像点形成的是一个扩大的圆，这个圆称为弥散圆（circle of confusion）。由于人眼的分辨能力有限，只有当弥散圆直径大到一定程度时，才会感觉到模糊。这一段人眼看起来清晰的距离就是景深（depth of field），此时对应的是容许弥散圆。

在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离是焦深，对应到被拍摄物体的前后就是景深。

像散是由于镜头对不同方向（子午面和弧矢面）的光线聚焦能力不同，导致成像时出现两个相互垂直的焦线，形成‌史氏光锥（Sturm's Conoid）‌。其视觉表现如下：

‌前焦线（First Focal Line）‌：当垂直方向的光线先聚焦时，形成一条‌横向的明亮焦线‌，此时图像在该方向上"相对清晰"，但垂直方向仍模糊，视觉上可能呈现‌横向扩散‌的模糊感。

‌后焦线（Second Focal Line）‌：当水平方向的光线随后聚焦，形成一条‌纵向的明亮焦线‌，此时图像在水平方向"相对清晰"，垂直方向模糊，视觉上可能呈现‌纵向收缩‌或拉长的模糊感。

‌最小弥散圆‌：介于两焦线之间，是模糊程度最小的区域，此时图像最"可接受"。

光圈

光圈通俗讲是通过收缩和扩大来控制入射光的强度，其位于镜头内部。

它等于镜头焦距f与通光孔径D之比(F=f/D)，而通光孔径很大程度上正是由这个物理光圈所控制的。

光学设计中，光阑（Aperture stop）指的是"结构元件"，光圈（f-number）指的是"参数/状态。

景深(DOV)

在某个调焦位置上，此时在物体前后会有一段相对成像清晰的区间，我们把成像相对清晰的区间称为景深

镜头的分辨率

镜头分辨率指的是它能分辨开两个靠近的物点的能力。我们一般用"物点"经镜头成像后的"像点"能被分辨的最小距离来表示，小于这个距离，我们就认为是一个点；而大于这个距离我们认为是两个分开的点，单位为µm。

通俗来讲可以分辨到被测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。

假如拍摄的文字大概有0.3mm的线条厚度，则

基于香农（shannon ）原理，你应该有0.3mm / 2.5 =0.12mm per pixel。

0.3mm线条宽度的解析能力。200毫米的FOV;

则像素解析度至少要有0.12mm的精度

200mm / 0.12 = 1666.66; 则相机分辨率至少要有1666pixel;

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

像素尺寸 = 产品短边尺寸/所选相机短边像素数

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

保证在曝光时间内，物体在成像平面上移动不超过 1 个像素，

这样图像里就不会出现"运动拖影"。

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，