一文掌握工业相机选型计算

目录

一、基本概念

1.1 物方和像方

1.2 工作距离和视场

1.3 放大倍率

1.4 相机芯片尺寸

二、公式计算

三、实例应用

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一、基本概念

1.1 物方和像方

在光学领域，物方（Object Space）是与像方（Image Space）相对的概念，用于描述光学系统中光线或物体所在的空间区域。

• 物方：指光学系统（如镜头、相机）中，实际物体所处的空间范围，即被观察、拍摄的对象所在的物理空间。
• 像方：指光学系统中，物体通过光学元件成像后所在的空间范围（如相机传感器、胶片上的成像区域）。

1.2 工作距离和视场

（1）镜头工作距离（WD）：镜头物方端面到被拍摄物体表面的物理距离。

（2）光源工作距离（LWD）：光源物方端面到被照射物体表面 的物理距离。

（3）视场（FOV）：也称视野，是指能被视觉系统观察到的物方可视范围大小。

对于镜头而言，可观察到的视场跟镜头放大倍率及相机芯片选择有关。因此通常建议根据被观察物体的尺寸，先确定所需的视场，再确定相机芯片尺寸及镜头放大倍率。在实际工程项目中，考虑到机械误差等问题，视场通常要大于待观测物体的实际尺寸，以确保在机械误差的范围内，物体始终位于视觉系统的可视范围内。

1.3 放大倍率

机器视觉行业里提到的镜头光学放大倍率通常是指垂轴放大倍率，即像和物的大小之比，计算方法如下：

 光学放大倍率=感光芯片长边/视野长边

 可见，光学放大倍率和所选相机芯片及所需视场相关。

【示例1】

问题：已知相机芯片为2/3英寸（8.8mm*6.6mm)，视场长宽为：10mm* 8mm，计算放大倍率。

解答：

如用长边计算，放大倍率=8.8mm/10mm=0.88x；

如用短边计算，放大倍率=6.6mm/8mm=0.825x；

此时应取小的倍率0.825x 作为待选镜头的光学放大倍率。否则，短边视场将不能满足要求。（若取0.88倍，则短边视场=6.6mm/0.88x=7.5mm<8mm）。

在实际工程项目中，通常无需长短边都计算。经验的方法是：若视场接近于正方形或圆形，则取短边计算；若视场为长条形，则取长边计算。

1.4 相机芯片尺寸

在前面描述放大倍率和镜头像面尺寸时都涉及到相机芯片尺寸。通常相机厂商是以英寸的形式表示的，但在实际计算时，需要换算成各边以毫米为单位的计量方式。

但对于相机芯片尺寸而言，1 inch≠ 25.4mm，而有其特有的换算关系。以下是常见的尺寸对应关系：

1.1英寸——靶面尺寸为宽12mm*高12mm，对角线17mm1英寸 ——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm2/3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9mm1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm1/3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4m

最准确的芯片尺寸计算方法是：

相机像素颗数x像素尺寸=芯片尺寸。如某相机分辨率为5120x5120, 像素尺寸为4.5µmx4.5µm, 则芯片为正方形，边长=5120x4.5µm=23040µm=23.04mm。

二、公式计算

根据前面的概念介绍，可以得出面阵相机镜头选型的核心计算公式：

光学放大倍率   =   相机芯片长度 / 视野长边   =  焦距f  /  工作距离WD

示意图如下：

按照前面的核心公式，工业镜头的焦距(f mm)可以根据FOV(视场), WD(工作距离) 和芯片尺寸计算出来:

焦距计算公式：

焦距f ＝ WD × 芯片尺寸 / FOV

三、实例应用

问题：已知参数如下：

（1）相机配置为： 芯片长宽为5.7*4.3mm, 分辨率为：2592*1944, 像元尺寸为2.2*2.2um

（2）物距：60mm

（3）视野大小：12mm*9mm

应选择何种镜头？

答案：按照前面公式  焦距1 = 60*4.3/9 = 28.7    焦距2 = 60*5.7/12 = 28.5

为了能覆盖视野，选择更短的焦距，因此应选择28.5mm焦距的镜头。