勇哥转载两篇不错的贴子,补充一下这方面的知识。
对于工业镜头选型,是一个非常重要和关键的环节。因为工业镜头选型是否合适与好坏直接影响着机器视觉成像质量。下面POMEAS工程师将结合经过多年的实际案例,分享下工业镜头选型方法和计算公式,仅供大家参考。
首先,要确定工业相机的接口、靶面尺寸和分辨率大小。打比方是2/3" 工业相机,C接口,5百万像素;那么我们可以先确定需要的工业镜头是C接口,最少支持2/3", 5百万像素以上,或者线对在160LP.
其次,确定所要达到的视野范围(FOV)和工作距离(WD),然后根据这两个要求和已知的靶面尺寸计算出工业镜头的焦距(f)。其计算公式为:
焦距f = WD × 靶面尺寸( H or V) / FOV( H or V)
视场FOV ( H or V) = WD × 靶面尺寸( H or V) / 焦距f
视场FOV( H or V) = 靶面尺寸( H or V) / 光学倍率
工作距离WD = f(焦距)× 靶面尺寸/FOV( H or V)
光学倍率 = 靶面尺寸( H or V) / FOV( H or V)
打比方视野是100*100mm, WD.是500mm; 那么我们先从工作距离确定工业镜头的焦距要在50mm以下(工业镜头的命名方式PMS-5018M, 前面字母表示POMEAS品牌,50表示焦距50mm, 18表示最大光圈值),市场上工业镜头焦距一般是12mm, 16mm, 20mm, 25mm, 35mm, 50mm, 75mm。再结合相机靶面的大小来确定哪个型号,工业镜头的焦距越小,视场角就越大,视野也就相应的更大。
如果靶面为2/3" 可以选择35mm焦距的工业镜头;靶面1/2" 则需要25mm焦距的工业镜头,或者更小....以此类推。
在工业镜头选型过程中,为了方便各位朋友计算工业镜头参数,现提供靶面尺寸表供参考。
1.1英寸——靶面尺寸为宽12mm*高12mm,对角线17mm
1英寸 ——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm,对角线16mm
2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm,对角线11mm
1/1.8英寸——靶面尺寸为宽7.2mm*高5.4mm,对角线9mm
1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm,对角线8mm
1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm,对角线6mm
1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm,对角线4mm
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随着工业自动化近年来的快速发展,机器视觉方案在各个行业内的检测、定位、特征识别、数据采集等应用中得到越来越多的运用,合适的工业相机和镜头决定了机器视觉成像质量。那在种类繁多的工业相机和镜头中,如何合理地选择工业相机和镜头的搭配呢?
相机分辨率
案例1
已知条件
待检测物体大小:10mm x 7mm;
检测精度:0.01mm;
视野范围:12mm x 9mm;
计算
相机最小分辨率=(12/0.01)*(9/0.01)=1200*900≈108万像素;
相机分辨率至少为108万像素;
可以选用130万像素相机(1280*960);
为减小边缘提取时的像素偏移带来的误差,提高系统的精准度和稳定性,实际使用中一般用2-3个像素对应一个最小缺陷或特征;
则相机分辨率=108*3≈324万;
最终选型320万像素相机(2048*1536)
2
镜头像面
为保证画面整体的可应用性,选用镜头的像面尺寸应大于相机芯片的对角线尺寸(以下简称靶面),否则会出现边缘暗角/黑角等情况,影响使用。
常见的三种错误应用的范例
3
镜头焦距
根据被摄物体的大小我们可以得到视野的大致范围,进而得到物像关系,这里我们用光学放大倍率来表示
公式
案例2
已知条件
视野范围:12mm*9mm;
镜头前端距离被测物体距离:60mm;
选用相机:320万像素相机(分辨率2048*1536,像元尺寸3.45um)
计算
① Sensor长宽尺寸:
Sensor长度=2048*3.45/1000=7.0656mm
Sensor高度=1536*3.45/1000=5.2992mm
②
③
④
⑤
⑥ 结论:
选用35mm镜头,搭配320万相机,可以达到12.113mm x 9.085mm的视野,单像素精度5.9μm;
注:标准35mm镜头无法满足60mm近工作距,可使用接圈解决。
再来一个选型的例子:
例如,要给硬币检测成像系统选配工业相机镜头,约束条件:相机CCD 2/3英寸,像素尺寸4.65μm,C口。工作距离大于200mm,系统分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。
基本分析如下:
1. 与白色LED光源配合使用的,镜头应该是可见光波段。没有变焦要求,选择定焦镜头就可以了。
2. 用于工业检测,其中带有测量功能,所以所选镜头的畸变要求小。
3. 工作距离和焦距
成像的放大率M=4.65/(0.05x1000)=0.093
焦距f’=L*M/(M+1)=200*0.093/1.093=17mm
物距要求大于200mm,则选择的镜头要求焦距应该大于17mm。
4. 选择镜头的像面应该不小于CCD尺寸,即至少2/3 英寸。
5. 镜头的接口要求是C口,能配合相机使用。光圈暂无要求。
从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的“轮廓”:焦距大于17mm,定焦,可见光波段,C口,至少能配合2/3英寸CCD使用,而且成像畸变要小。按照这些要求,可以进一步的挑选,如果多款镜头都能符合这些要求,可以择优选用。
远心镜头选型:
1,首先先算光学倍率: 芯片尺寸(W 或 H)/视野(宽或长);
2,查找满足的远心镜头型号,其中工作距离WD不能调。
镜头的成像距离与视场大小
表一:
百万像素镜头:12mm 靶面尺寸2/3” | 相机:BASLER ACA1300-60GC(1280*1024) 靶面尺寸1/1.8” | |
工作距离(cm) | 视场X轴(cm) | 视场Y轴(cm) |
15(最小) | 10 | 8 |
20 | 12 | 9.7 |
25 | 15 | 12 |
30 | 17.5 | 14 |
35 | 20.5 | 16.5 |
40 | 23 | 20 |
45 | 26 | 21 |
50 | 29 | 23.5 |
55 | 32 | 25.5 |
60 | 34.5 | 28 |
65 | 37 | 30 |
表二:
百万像素镜头:16mm 靶面尺寸2/3” | 相机:BASLER ACA1300-60GC(1280*1024) 靶面尺寸1/1.8” | |
工作距离(cm) | 视场X轴(cm) | 视场Y轴(cm) |
25(最小) | 11.2 | 9 |
30 | 13 | 10.5 |
35 | 15.5 | 12.3 |
40 | 17.5 | 14 |
45 | 20 | 15.5 |
50 | 23 | 17.5 |
55 | 24 | 19 |
60 | 25.5 | 20.5 |
65 | 28 | 22.5 |
表三:
百万像素镜头:12mm 靶面尺寸2/3” | 相机:ACA2500-14GC(2590*1942) 靶面尺寸1/2.5” | |
工作距离(cm) | 视场X轴(cm) | 视场Y轴(cm) |
15(最小) | 8.1 | 5.7 |
20 | 10 | 7.7 |
25 | 12.5 | 9.5 |
30 | 15 | 11.5 |
35 | 17.5 | 13.2 |
40 | 19.8 | 15 |
45 | 22 | 16.5 |
50 | 24.5 | 18.5 |
55 | 27 | 20.5 |
60 | 29 | 22 |
65 | 31.5 | 23.5 |
表四:
百万像素镜头:16mm 靶面尺寸2/3” | 相机:ACA2500-14GC(2590*1942) 靶面尺寸1/2.5” | |
工作距离(cm) | 视场X轴(cm) | 视场Y轴(cm) |
25(最小) | 10 | 7 |
30 | 11.5 | 8.5 |
35 | 13 | 10 |
40 | 15 | 11 |
45 | 16.5 | 12.5 |
50 | 18.5 | 14 |
55 | 20 | 15 |
60 | 22 | 16.5 |
65 | 23.5 | 18 |
表五:
百万像素镜头:25mm 工作尺寸2/3” | 相机:BASLER ACA2500-14GC(2590*1942) 靶面尺寸1/2.5” | |
工作距离(cm) | 视场X轴(cm) | 视场Y轴(cm) |
30(最小) | 7 | 5.3 |
35 | 8.3 | 6 |
40 | 9.5 | 7 |
45 | 10.5 | 7.8 |
50 | 11.5 | 8.7 |
55 | 12.8 | 9.5 |
60 | 14 | 10.5 |
65 | 15 | 11.3 |
表六:
百万像素镜头:50mm 靶面尺寸2/3” | 相机:BASLER ACA2500-14GC(2590*1942) 靶面尺寸1/2.5” | |
工作距离(cm) | 视场X轴(cm) | 视场Y轴(cm) |
47(最小) | 5.3 | 4 |
50 | 5.6 | 4.3 |
55 | 6.2 | 4.9 |
60 | 6.8 | 5.1 |
64 | 7.8 | 5.5 |
备注:
1,如果镜头的靶面尺寸小于相机的靶面尺寸,那么各工作距离的视场范围只与镜头有关,与用什么相机无关,
2,如果镜头的靶面尺寸大于相机的靶面尺寸,那么各工作距离的视场范围只与相机有关,相机的靶面尺寸变了,视场大小就变。
3,加接圈可以缩小镜头的工作距离,但是会缩小视野。
说明:关于镜头和相机的选择实际还有好多因素如景深、畸变、接口等等,这里只对视场大小和相机分辨率这两个重要因素进行了分析。其它要素选择详见镜头和相机样本。

