工业相机镜头基础知识讲解共28页

光学变焦是数码相机镜头的一个极为重要的参数，它和数码变焦存在着本质上的区别。

两者的区别不但体现出它们的工作原理上，在最终的成像效果上，两者也会有明显的差别。

单单从成像质量来说，光学变焦比数码变焦优秀很多。

但是数码变焦由于成本低廉，也广泛配备在消费级数码相机中。

而且，随着图象处理技术的提高，数码变焦的效果也有所改善，例如索尼SmartZoom数码变焦技术，就是一个较为实用的数码变焦技术。

光学变焦与数码变焦的各自原理光学变焦要了解光学变焦的原理，首先我们来看看镜头成像的过程。

在我们的初中物理课上，老师都会给我们做放大镜成像的试验，燃烧的蜡烛通过放大镜会在白板上清晰地投影出来，同时随着放大镜的前后移动，燃烧的蜡烛在白板上影像的大小会发生变化。

这既是相机成像的原理，也是光学变焦的原理所在。

相机的光学变焦就是通过改变镜头中焦点的位置，来改变进入镜头光线的角度，从而使同一距离的被摄物体在感光元件上变得更大，或者让更远的物体能够更清晰得聚焦在感光元件上。

光学变焦就是通过移动镜头内部镜片来改变焦点的位置，改变镜头焦距的长短，并改变镜头的视角大小，从而实现影像的放大与缩小。

上图中，红色三角形较长的直角边就是相机的焦距。

当改变焦点的位置时，焦距也会发生变化。

例如将焦点向成像面反方向移动，则焦距会变长，图中的视角也会变小。

这样，视角范围内的景物在成像面上会变得更大。

这就是光学变焦的原理。

我们平时接触的数码相机光学变焦的焦距，它实际上就是上图中焦距的长度。

例如佳能A95的3倍光学变焦镜头，它的焦距为7.8-23.4mm，指的就是焦距长度能够变化的范围，实际上也就是被摄物体能够放大的范围。

而等效焦长是将上述焦距换算为传统35mm相机的焦距，从而变得更加直观，这个问题就不在我们的讨论范围了。

数码变焦数码变焦在原理上理解起来就比较复杂一些。

就现在的主流技术来看，数码变焦是利用影像处理器将感光元件中某一区域的感光单元所获得的图象信息进行单独的放大。

什么是CCD(Charge Coupled Device？)是电荷藕合器件图像传感器。

它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。

CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。

当CCD 表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。

只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。

CCD经过长达35 年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。

CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。

目前有能力生产CCD 的公司分别为：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji 和Sharp，大半是日本厂商。

目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD电（荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。

镜头接口中的口的区别？以镜头安装分类所有的摄象机镜头均是螺纹口的，CCD摄象机的镜头安装有两种工业标准，即C 安装座和CS安装座。

两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。

C 安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm。

CS安装座：特种C安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。

其镜头安装基准面到焦点的距离是12.5mm。

如果要将一个C 安装座镜头安装到一个CS安装座摄象机上时，则需要使用镜头转换器什么是景深？景深就是对好焦的范围。

它能决定是把背景模糊化来突出拍摄对象，还是拍出清晰的背景。

我们经常能够看到拍摄花，昆虫等的照片中，将背景拍得很模糊。

工业镜头基础知识整理1.为什么需要镜头？镜头等同于针孔成像中针孔的作用，所不同的是，一方面镜头的透光孔径比针孔大很多倍，能在同等时间内接纳更多的光线，使相机能在很短时间内（毫秒到秒级）获得适当的曝光；另一方面，镜头能够聚集光束，可以在相机胶片上产生比针孔成像效果更为清晰的影像；2.镜头的组成机器视觉常用定焦镜头，并且都是手动调整光圈，一般不允许自动调整光圈，镜头上有调焦和调光圈两个环，为了防止误碰动，工业镜头的两个环都有锁定螺丝。

注意调焦环不是用来调整焦距，而是调整像距，保证清晰图像落在焦平面上3.工业镜头的接口物镜的接口有三种国际标准：F接口、C接口和CS接口。

F接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头，当物镜的焦距小于25mm时，物镜的尺寸不大，一般采用C 型或CS型接口。

C和CS型接口的区别：C与CS型接口的区别在于镜头与相机接触面（基准面）至相机焦平面（摄像机CCD光电感应器所处位置）的距离，即法兰距不同，C型接口法兰距为17,562mm，CS型接口法兰距为12.5mm。

C型接口镜头与CS型相机之间增加一个5mm的C/CS转接环可以配合使用，CS型接口与C型接口相机无法配合使用。

4.工业镜头的基本参数视场：Field of View，即FOV，也叫视野范围，指可以观测到的物体的可视范围。

工作距离：Working Distance，即WD，指从镜头前部到受检物体表面的距离，在该距离下镜头可以清晰成像。

分辨率：Resolution，指镜头可清晰分辨被拍摄物体细节的能力，在像平面1mm内可以分辨开的黑白相间的线条对数，分辨率的单位是“线对/毫米”（lp/mm）。

一般说的百万象素级的镜头,分辨率为100线对/mm。

景深：Depth of View，在景物空间中，位于调焦平面前后一定距离内还能够清晰成像的纵深距离，也就是在实际像平面上获得相对清晰影像的景物精简深度范围。

焦距：Focal Length，焦距是从镜头的中心点到焦平面上所形成的清晰影像之间的距离，焦距数值小，视角大，所观察到的范围也大，但距离远的物体成像不是很清晰，焦距数值大，视角小，观察范围小，但距离较远的物体也可以清晰成像，有定焦和变焦两种镜头型号。

工业相机镜头参数详解1、焦距(FocalLength)焦距是从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离（注意！，相机的焦距与单片凸透镜的焦距是两个概念，因为相机上安装的镜头是多片薄的凸透镜组成，单片凸透镜的焦距是平行光线汇聚到一点，这点到凸透镜中心的距离）。

焦距的大小决定着视角的大小，焦距数值小，视角大，所观察的范围也大;焦距数值大，视角小，观察范围小。

根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。

2、光圈(Iris)用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。

每个镜头上都标有最大F值，例如8mm/F1、4代表最大孔径为5、7毫米。

F值越小，光圈越大，F值越大，光圈越小。

3、对应最大CCD尺寸(SensorSize)镜头成像直径可覆盖的最大CCD芯片尺寸。

主要有：1/2″、2/3″、1″和1″以上。

4、接口(Mount)镜头与相机的连接方式。

常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0、75等。

5、景深(Depth ofField,DOF)景深是指在被摄物体聚焦清楚后，在物体前后一定距离内，其影像仍然清晰的范围。

景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。

光圈越大，景深越小;光圈越小、景深越大。

焦距越长，景深越小;焦距越短，景深越大。

距离拍摄体越近时，景深越小;距离拍摄体越远时，景深越大。

6、分辨率(Resolution)分辨率代表镜头记录物体细节的能力，以每毫米里面能够分辨黑白对线的数量为计量单位：“线对/毫米”(lp/mm)。

分辨率越高的镜头成像越清晰。

7、工作距离(Workingdistance,WD)镜头第一个工作面到被测物体的距离。

8、视野范围(Field ofView,FOV)相机实际拍到区域的尺寸。

9、光学放大倍数(Magnification,ß)CCD/FOV，即芯片尺寸除以视野范围。

10、数值孔径(Numerical Aperture,NA)数值孔径等于由物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半(a\2)的正弦值的乘积，计算公式为N、A=n*sina/2。

工业镜头相关入门知识1、镜头的分类镜头种类繁多，已经发展成一个庞大的体系，以适应各种场合条件下的应用。

对镜头的划分也可以从不同的角度来进行：a、按工作波长分：紫外、可见光、近红外、红外，按照应用还有X-ray镜头之分b、变焦与否：定焦、变焦c、工作距离：望远物镜（物距很大）、普通摄影镜头（物距适中）、显微镜头（物距很小）其它类别则有：线阵镜头：配合线阵相机使用的镜头。

采用扫描式的工作方式，需要镜头与目标相对运动，每次曝光成像一条线，多次曝光组成一幅图像；线阵扫描成像的特点：CCD线阵方向的图像分辨率固定，而在目标的运动方向上，空间采样频率与运动的相对速度有关；从成像的角度讲，线阵镜头和其它类型的镜头并没有本质的差异，只是对镜头的使用方式不同而已。

显微镜头：为了看清目标的细节特征，显微镜头一般使用在高分辨率的场合。

它们基本的特点是工作距离短，放大倍率高，视场小。

2、如何选择镜头镜头的选择过程，是将镜头各项参数逐步明确化的过程。

作为成像器件，镜头通常与光源、相机一起构成一个完整的图像采集系统，因此镜头的选择受到整个系统要求的制约。

一般地可以按以下几个方面来进行分析考虑。

1)波长、变焦与否镜头的工作波长和是否需要变焦是比较容易先确定下来的，成像过程中需要改变放大倍率的应用，采用变焦镜头，否则采用定焦镜头就可以了。

关于镜头的工作波长，常见的是可见光波段，也有其他波段的应用。

是否需要另外采取滤光措施？单色光还是多色光？能否有效避开杂散光的影响？把这几个问题考虑清楚，综合衡量后再确定镜头的工作波长。

2)特殊要求优先考虑结合实际的应用特点，可能会有特殊的要求，应该先予明确下来。

例如是否有测量功能，是否需要使用远心镜头，成像的景深是否很大等等。

景深往往不被重视，但是它却是任何成像系统都必须考虑的。

3)工作距离、焦距工作距离和焦距往往结合起来考虑。

一般地，可以采用这个思路：先明确系统的分辨率，结合CCD 像素尺寸就能知道放大倍率，再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离，进一步估算镜头的焦距。

机器视觉（相机、镜头、光源）全面概括1.1.1视觉系统原理描述机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。

机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

2.1.1视觉系统组成部分视觉系统主要由以下部分组成1.照明光源2.镜头3.工业摄像机4.图像采集/处理卡5.图像处理系统6.其它外部设备2.1.1.1相机篇详细介绍：工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，目前市面上工业相机大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相机。

CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。

它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。

CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。

这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。

典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。

CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初，90 年代初期，随着超大规模集成电路(VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS 图像传感器得到迅速发展。

CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。

目前，CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。

机器视觉（相机、镜头、光源）全面概括机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。

机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

视觉系统主要由以下部分组成1.照明光源2.镜头3.工业摄像机4.图像采集/处理卡5.图像处理系统6.其它外部设备详细介绍：工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，目前市面上工业相机大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相机。

CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。

它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。

CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。

这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。

典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。

CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初，90 年代初期，随着超大规模集成电路(VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS 图像传感器得到迅速发展。

CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。

目前，CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。

机器视觉（相机、镜头、光源）全面概括机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。

机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

视觉系统主要由以下部分组成1.照明光源2.镜头3.工业摄像机4.图像采集/处理卡5.图像处理系统6.其它外部设备详细介绍：工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，目前市面上工业相机大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相机。

CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。

它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。

CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。

这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。

典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。

CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初，90 年代初期，随着超大规模集成电路(VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS 图像传感器得到迅速发展。

CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。

目前，CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。

机器视觉（相机、镜头、光源）全面概括机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。

机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

视觉系统主要由以下部分组成1.照明光源2.镜头3.工业摄像机4.图像采集/处理卡5.图像处理系统6.其它外部设备详细介绍：工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，目前市面上工业相机大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相机。

CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。

它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。

CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。

这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。

典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。

CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初，90 年代初期，随着超大规模集成电路(VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS 图像传感器得到迅速发展。

CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。

目前，CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。

工業鏡頭：-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------焦距(Focus Length)(f值)焦距是鏡頭中心點到平面上形成清晰影像之間所需的距離。

焦距小，視野大。

焦距大，視野小。

焦距可由工作距離(WD)，CCD尺寸(Sensor Size)，以及視野(FOV)三個參數算出視野CCD尺寸工作距離焦距-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------視野(視角)(Field of View,FOV)(mm值)相機實際成像所看到的區域的大小。

鏡頭的可視角度，視角的選擇會根據工作距離及焦距等因素來做決定。

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------工作距離( Working Distance, WD)( mm值)鏡頭最下緣(或頂端)處到量測物體平面的距離，也稱為作動距離。

當為CCD 時，比例公式=>工作距離：視野＝焦距：CCD 尺寸。

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------CCD(電荷耦合器件)尺寸(靶面大小) (Sensor Size)(“ = 英吋) (1英寸=25.44mm)這是指鏡頭成像直徑可覆蓋的CCD尺寸。