机器视觉中镜头的选择

镜头的选择主要取决于焦距f，图2-2为镜头的光学几何示意图。此几何关系是典型的“薄镜片”的几何模式。但机器视觉系统中所用的镜头都是“厚镜头”，它由很多薄镜片组成。“薄镜片”和“厚镜头”会在计算和参数设置上有所差别，尤其是对于高放大率镜头、广角镜头、望远镜头等特种镜头的差别更大。但是，在大多数情况下，图2-2所示的几何关系及参数计算的差别很小，可以用来作为计算和选择镜头的依据。

现将有关的参数和公式分列如下：

WD：工作距离，物镜至被测物体之间的距离；

Ho：视野的高度，因为一般视野为4:3的长方形，可以仅用其高度Ho来代表视野的尺寸。在被测物体定位精度允许的情况下，应尽可使被测物体占满整个视野，以便提高整个机器系统的分辨率和测量精度；

Hi：摄像头有效成像面的高度，同样，CCD成像面多为4:3的长方形，用其高度Hi来代表传感器像面的大小。CCD的尺寸分类请参看第6-3节；

PMAG：镜头的放大倍数，图2-3，图中演示了三种放大倍数的镜头，PMAG可以大于1，也可以小于1，在常用的镜头中PMAG<1，在放大镜中，PMAG>1；

f：镜头的焦距，常用镜头焦距以毫米为计算单位，常用普通镜头大约可分为8mm，12.5mm，16mm，25mm和50mm等几档；

LE：镜头像平面的扩充距离，为了实现聚焦，像平面必须后移的距离。

镜头上的物距WD，放大倍数PMAG和焦距之间有以下关系

利用公式（1）和（2）就可以用代表视野尺寸的高度HO，物距WD，像平面高度Hi计算出所需镜头的焦距f。能选择的镜头产品的焦距并不是连续可变的，只能在已有的几档中选择使用，例如8mm，12.5mm，16mm等等。所以计算出来的焦距有可能不能和现有产品准确相配，这就需要有一个调节过程。所以普通镜头的选择过程按以下步骤进行：

l 获得镜头至物体的距离，WD，如果可能，是一个距离范围，取中间值；

l 计算图像放大倍数PMAG；

l 使用WD和PMAG计算所需的焦距；

l 选取最接近计算值镜头规范的焦距值；

l 根据规范焦距值重新核算镜头至物体的距离WD。

现举例说明选择镜头的过程。

假设视场的高度为6厘米，摄像头传感器的高度为6.6毫米，镜头放大倍数为

PMAG=6.6mm/6cm=6.6mm/60mm=0.11

物体至镜头的距离在10cm至30cm范围内，使用中间值20cm，计算

在镜头的规范焦距：8mm、12.5mm、16mm、25mm和50mm五档内，16mm和25mm最接近计算结果，选择最接近的16mm镜头，使用此值核算该镜头到物体的距离WD：

WD=f(1+PMAG)/PMAG=16mm*(1+0.11)/0.11=16.1cm

镜头的扩充距离：

LE=PMAG*f=16mm*0.11=1.76mm

大多数CCTV镜头的工作距离WD都是按1m至0.5m设计的，而WD=16.1cm的距离不足以获得正确的聚焦。为了获得清晰的成像可以购买一套镜头垫圈附件，其中包括1mm及0.5mm两种规格。使用这些垫圈可以正向调节1.5mm，足以使镜头的聚焦机构提供所需的扩充距离。

以上内容出自北京嘉恒中自图像技术有限公司（www.）编写的图书《机器视觉系统》，可以在官网免费申领

嘉恒图像简介

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