镜头学堂｜工业镜头参数知多少
机器视觉系统中，镜头作为机器的眼睛，其主要作用是将目标物体的图像聚焦在图像传感器（相机）的光敏器件上。数据系统所处理的所有图像信息均需要通过镜头得到，镜头的质量直接影响到视觉系统的整体性能。
这一期镜头学堂将对机器视觉工业镜头相关参数做简要介绍：
01
焦距（EFL）
定义
透镜中心到像方焦点的距离。
光学系统中的焦距用来衡量光学系统汇聚或发散光线的能力。
焦距示意图
该如何理解焦距与视场角的关系呢？
对于相同的感光元件，搭配的镜头焦距越长，视场角越小，反之成立（排除枕形畸变的影响)。
可以根据下面这组图片来直观的感受一下
注：使用同款感光芯片
02
光圈数（F.No）
定义
焦距（EFL）与入瞳（D，光圈在物方空间的像）的比值，即F.No=EFL/D。
F.No数的大小是如何对画面亮度、景深及装配灵敏度产生影响的呢？
a．画面亮度
F.No数的大小决定进入光学系统能量的多少。
F.No越大，进入光学系统的光线越少，画面越暗；F.No越小，进入光学系统的光线越多，画面越亮。
如下图所示：
注:此项默认相机曝光时间、增益等参数恒定。
b．景深
在其它所有参数保持一致的前提下，F.No越大，景深越大；F.No越小，景深越小。
c．装配灵敏度
F.No越大，图像对安装倾斜的灵敏度低，越易于装配；F.No越小，图像对安装倾斜的灵敏度高，越不易于装配。
03
畸变（Distortion）
定义
光学系统中，由于光学透镜固有的透视失真导致实际成像相对于被摄物体的失真程度。
光学畸变
OP
Distortion
光学畸变指的是物体经过光学系统所成的像对于物体本身而言的失真程度。
光学畸变计算方法：
OP.Dist(%)=(实际像高－理想像高)/理想像高 × 100%
TV 畸变
TV
Distortion
TV畸变指的是实际拍摄图像时，像的变形程度。
TV畸变计算方法：
TV.Dist(%)=(H1 - H2)/H
TV畸变可分为枕形畸变和桶形畸变，对角线向外延长的变形（畸变值为正）称作枕形畸变，反之，对角线向内缩短的变形（畸变值为负负）称作桶形畸变。
04
视场角（Field of View）
定义
镜头在感光元器件上所能看到的空间角度范围，即光学系统入瞳中心对物的张角或出瞳中心对像的张角。
视场角与焦距(EFL)的关系：
若Y为Sensor的半对角线长度，在不考虑光学系统畸变的前提下，对角线视场角（2θ）=2*arctan(Y/EFL)，如下图所示：
注：视场角与镜头焦距、Sensor靶面大小和镜头畸变有关：
a.镜头焦距相同的情况下，Sensor靶面越大,视场角越大；
b.Sensor靶面相同的情况下，镜头焦距越小,视场角越大；
c. 镜头焦距和Sensor靶面都相同的情况下,枕形(负)畸变越大,视场角越大。
05
清晰度（Resolution）
定义
分辨率和反差综合表现的结果。
分辨率又称分辨力、解析力、鉴别率、解析度，指的是镜头清晰的再现被摄景物细节的能力，分辨率越高的镜头，拍摄的图像越清晰细腻。
清晰度也可以用像面上镜头在单位MM内能够分辨的线对数表示，单位是LP/MM，能够分辨的线对数越多，代表镜头分辨率越高。如下图所示：
反差即对比度，用来形容图像最亮处和最暗处的差别；用MTF（ModulationTransfer Function调制传递函数）来表示，MTF描述的是光学成像系统对各频率分量对比度的传递特性，如下式所示：
其中I’max和I’min表示像的最大和最小灰度值，Imax和Imin表示物的最大和最小灰度值。
很明显，调制度介于0和1之间，调制度M越高，意味着反差越大；当图像中的最大亮度和最小亮度相等，反差完全消失，此时调制度为0。
下图为分辨率为10LP/MM，MTF在0.05~0.4之间的对比图片，从下图可以看出，人眼可接受的最小可分辨的MTF数值在0.15~0.2之间。
MTF如何影响到镜头的整体成像效果？
低频率时的MTF值决定了图像的对比度，高频率时的MTF值决定了图像的分辨力，MTF的优劣直接影响到镜头的整体成像效果，如下图：
A曲线: 曲线平滑下降,说明图像的解像力和对比度均达到了较好的水平，见A图;
B曲线: 低频率时的MTF值持续很高,说明图像的对比度很好；但是高频率时的MTF很低，说明图像的解像力较差，见B图；
C曲线: 低频率时的MTF值下降较快，说明图像对比度较差;高频时的MTF较B曲线高，说明图像解像力效果比B好，见C图；
06
相对照度（Relative Illumination）
定义
图像边缘亮度与中心亮度的比值。Sensor表面不同位置的照度的大小与该处入射于像面的光线入射角的Cosin四次方成正比。
相对照度＜1的原因：中心视场与边缘视场的有效通光孔径不同(如左图)，造成中心与边缘的亮度差异。
07
景深（Depth of Field）
定义
能够在像平面上呈现清晰的像的物方空间深度范围。
那么景深是如何计算的？又和哪些因素有关呢？
可成清晰像的最远的物平面称为远景平面，它与对准平面的距离成为后景深△L1；能成清晰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△L2；景深=前景深+后景深，如下图所示：
前景深 ΔL1= FδL²/ （f² + FδL）
后景深 ΔL2= FδL²/ （f² - FδL）
景深 ΔL =ΔL1+ΔL2=2f²FδL²/（ f 4- F²δ²L²）
δ——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
ΔL1—— 前景深
ΔL2——后景深
ΔL——景深
由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用的F.No 、 f焦距、拍摄距离以及对图像质量的要求(表现为容许弥散圆的大小)有关。
这些主要因素对景深的影响如下（假定其他的条件都不改变）：
a. 镜头光圈：
光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；
b. 镜头焦距:
镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；
c. 拍摄距离:
距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。
08
放大倍率（Magnification）
定义
像高和物高的大小之比。
放大倍率的计算方法：
09
靶面大小（Max Image Circle）
定义
感光元器件对角线尺寸。
靶面大小示意图
传感器类型
对角线长度（mm）
传感器宽度（mm）
传感器高度（mm）
1/3"
6.000
4.800
3.600
1/2.5"
7.182
5.760
4.290
1/2"
8.000
6.400
4.800
1/1.8"
8.933
7.176
5.319
2/3"
11.000
8.800
6.600
1"
16.000
12.800
9.600
4/3"
22.500
18.800
13.500
全画幅-35mm
43.300
36.000
24.000
10
镜头接口（Mount）
C接口 是工业镜头最为常用的一种接口，其法兰距(法兰面距离感光芯片的距离)为17.526mm，螺纹规格:直径1英寸，螺距1-32UNF；
CS接口 是监控行业较为常用的一种接口，其法兰距(法兰面距离感光芯片的距离)为12.526mm，螺纹规格：直径1英寸，螺距1-32UNF；
从下图来直观地了解C接口与CS接口区别：
a. C接口 的相机不能搭配CS接口的镜头使用，会导致图像不清晰；
b. CS接口 的相机可以搭配C接口的镜头使用，但是要使用5mm转接圈才能正常聚焦；
F接口 是一种卡口型接口,法兰距46.5mm，最早由Nikon为其35mm式相机而开发。目前较多的应用在大靶面相机和线扫描相机上，使用此接口,镜头可轻松安装和拆卸；
M接口 是一种螺纹接口,通常用于替换较大靶面相机的F接口，由接口直径(42mm、58mm、72mm等)、螺距(0.75mm、1mm等)和法兰距定义,种类较多；
S接口是M接口的一种，规格：螺纹直径12mm，螺距0.5mm。
工业镜头按视场大小的分类
以工业镜头为顶点，以被测目标的物像通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。也就是说视场是镜头与CCD相机连接时物体可被看见的范围大小。视场角的大小决定了光学仪器的视场范围，视场角越大，视场就越大，光学倍率就越小。
按相机视场大小分：小视场镜头、标准镜头、广角镜头和特广角镜头、远心镜头、显微镜头、显微镜头等类型。
标准镜头
视角约50度，焦距长度接近相机画幅对角线长度的镜头，也是人单眼在头和眼不转动的情况下所能看到的视角，所以又称为标准镜头。5mm相机的标准镜头的焦距多为40mm、50mm或55mm，120mm相机的标准镜头焦距多为80mm或75mm，CCD芯片越大则标准镜头的焦距越长。
广角与超广角镜头
视角90度以上，适用于拍摄距离近且范围大的景物，又能刻意夸大前景表现强烈远近感即透视。35mm 相机的典型广角镜头是焦距28mm，视角为72度。120相机的50，40mm的镜头便相当于35mm相机的35，28mm的镜头．
长焦距镜头
适于拍摄距离远的景物，景深小容易使背景模糊主体突出，但体积笨重且对动态主体对焦不易。35mm 相机长焦距镜头通常分为三级，135mm以下称中焦距，135－500mm称长焦距，500mm 以上称超长焦距。120 相机的150mm的镜头相当于35mm相机的105mm镜头。由于长焦距的镜头过于笨重，所以有望远镜头的设计，即在镜头后面加一负透镜，把镜头的主平面前移，便可用较短的镜体获得长焦距的效果。
反射式望远镜头
是另一种超望远镜头的设计，利用反射镜面来构成影像，但因设计的关系无法装设光圈，仅能以快门来调整曝光。
（2）广角与超广角镜头：视角55°以上，广角与超广角镜头的焦距短于、视角大于标准镜头。对135相机来说，焦距在30mm左右、视角在70°左右称为广角镜头；焦距在22mm左右、视角在90°左右称为超广角镜头。"
（3）远摄与超远摄镜头：视角20°以内，远摄与超远摄镜头的焦距长于、视角小于标准镜头。对135相机来说，焦距在20mm左右、视角在12°左右的称为远摄镜头；焦距在300mm以上、视角在8°以下的称为超远摄镜头。
（4）鱼眼镜头与反射式镜头：鱼眼镜头似乎是一种极端的超广角镜头，它利用镜头的畸变获取极大的视角，视角在180°左右，因其巨大的视角类似鱼眼视角而名。反射式镜头又称折反射式镜头，实际上是一种超远摄镜头，外观特征是短而胖，比相同焦距的远摄镜头短一半左右，重量也较轻，因而手持相机拍摄显得灵活、方便。
（5）变焦镜头：焦距有一定变化范围，它的镜头焦距可在较大的幅度内自由调节，起到了若干只不同焦距的定焦镜头的作用。它又有手动变焦和电动变焦两类,可对所监视场景的视场角及目标物进行变焦距摄取图像,适合长距离变化观察和摄取目标。变焦镜头的特点是:在成像清晰的情况下,通过镜头焦距的变化来改变图像大小与视场大小。
（6）微距镜头、透视调整镜头与皮腔镜头：微距镜头又称巨像镜头，是能产生巨像效果的一种镜头。透视调整镜头又称移轴镜头，是用于调整影像透视效果或景深效果的特殊镜头。皮腔镜头是指采用软管式皮腔连接135相机的镜头。
针孔镜头:镜头端头直径仅几毫米,可隐蔽安装。针孔镜头或棱镜镜头适用于有遮盖物或有特殊要求的环境中,此时标准镜头或容易受损、或容易被发现,采用针孔镜头或棱镜镜头可满足类似特殊要求,比如在工业窑炉及精神病院等场所。
微距镜头（micro lens）
如果对工作距离有严格要求，可以考虑使用微距镜头，一般的广角镜头加适当的延长管，可以达到微距的效果。除作极近距离的微距摄影外，也可远摄。
远心镜头
远心镜头一般视野都比较小。从机器视觉行业的使用来看，大部分的介于0.5~2倍的远心镜头。超过2倍的远心镜也有，如4X、8X等。
显微镜头
一般来说当视野要求非常小时，如1mm以下，因为我们的传感器通常都是几个mm（4.8~8.8之间比较多），因此如果需要拍摄1mm左右及以下的视野时，一般的CCTV是无法满足这个要求的。因此可以考虑使用显微镜头，放大几倍十几倍都是可以的。
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)
相关问答
远心 工业镜头 原理?1.物方远心镜头原理:物方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于像方无限远,称之为:物方远心光路。其作用为:可以消除物方由于调焦不准确带来的读数误差。2...
索尼FS5M2是全 画幅 摄像机吗?需要配置什么 镜头 ?索尼FS5M2是全画幅摄像机吗?需要配置什么镜头?索尼(SONY)PXW-FS5M2/FS5是4K专业数码摄像机,像素:601万以上没看到介绍是否是全画幅的。功能较为强大,...索尼...
1.2亿像素的 工业 相机?有。而且很早就有了。在2007年,瑞士赛兹照相机公司生产的具有1.6亿像素的全景数码相机亮相。这款相机机身售价为30多万元。真正要过亿像素的数码相机,最牛的...
工业 最常用的制图软件是什么?1、Adobeillustrator通常应用于出版、多媒体和在线图像的工业标准矢量插画的一款制图软件。在印刷出版、专业插画、海报书籍排版、多媒体图像处理、互联网页...
佳能 镜头 型号怎么看 - 9DD5gsoTky 的回答 - 懂得以EF70-200mmF2.8LISIIUSM为例来说明:EF:表示该镜头支持全画幅;APS-C画幅用镜头用EF-S表示;移轴镜头标识为TS-E;70-200mm:镜头焦距。数值越大...
感光原件单位像素尺寸应该怎么计算?3mm=4.3μm,金立1/2.3传感器大约6.16*4.6mm,由此可知其像素数大约为4597...制约像质的首要因素是传感器尺寸和单个像素尺寸,通常专业相机没有低于4微米的,手...
为什么大 画幅 相机都是胶片机?你的这个问题,问的很好,在网络上或者某宝里面,搜索大画幅相机,确实都是胶片相机,这个就是这么一个现实情况。那么,这种状况是怎么形成的呢?嗯,大画幅相...你的...
哪位看官 询问一下!有实力的PLA全降解 工业 袋厂家定制，PLA全...[回答]看你应用的场合,选择不同的型号。一般工业场合的常用型号为:BKZ-300VA220VAC/12VDCM是旁轴结构,T是微单结构。M是全画幅,T是APSC画幅,比M要小不少...
有人说“超写实主义”风格的油画作品中没有“笔触的痕迹”，你是如何看待这样的说法?回答这个问题之前我们说明一下超写实主义绘画注重什么吧。超写实主义风格更侧重于细节和主题。超现实主义绘画不是对照片的严格缩放,也不是对特定场景或主题的...
手动 镜头 还有入手的必要吗?每个人的实际情况都不一样,针对具体的人群,我来分析推荐一下吧!1,针对老年人,眼睛不好了,还是别折腾手动对焦的镜头,非常麻烦,伤眼睛,效率低,专心玩对...手动镜...
