工业相机镜头的基础知识
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3-4 5 6 7 工业镜头的接口 工业镜头的基本参数 工业镜头的其他参数 光学放大倍率
8
9 10 11-21
显示放大倍率
工业镜头各参数间相互影响关系 工业镜头的主要类别：分类方式 工业镜头的主要类别
分类方式、常用摄像物镜、近摄物镜、远摄物镜、 远心物镜、远距物镜、反远距物镜、畸变物镜
22-23
分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的 最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小 ，分辨率越好。
景深 (Depth of view ，即DOF)：物体离最佳焦 点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力 （需要了解客户对景深是否有特殊要求？）
图 1: 镜头基本参数示意图
4
工业镜头的其他参数
16
远心镜头特性 物方远心镜头可以消除透视畸变，像方远心镜头可以获得更 好的像面照度的均匀性。
17
工业镜头的主要类别：远心镜头
远心镜头
•物方远心物镜 采用平行光路设计，物方远心物镜是将孔径光阑放置在光学系 统的像方焦平面上。
18
工业镜头的主要类别：远心物镜
远心物镜
•像方远心光路 像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物 方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴。
•
3
工业镜头的基本参数
视场(Field of view, 即FOV，也叫视野范围) ： 指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯 片的物体部分。（视场范围是选型中必须要了解 的） 工作距离(Working Distance,即WD):指从镜头 前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距 离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调 ？包括是否有安装空间等）
感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平 尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的 视场非常重要。镜头主要缩放比例 (PMAG) 由感光芯片的尺 寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸 和视场，但PMAG却不属于基本参数。 焦距（f）焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方 式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中， 从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。（需要记住的公 式） f={工作距离/视野范围长边（或短边）}X CCD长边（或短） 焦距大小的影响情况： 焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸变越大； 焦距越 小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低；
7
工业镜头各参数间相互影响关系 光圈大小的影响情况： 光圈越大，图像亮度越高； 景深越小；分辨率越高； 像场中央与边缘： 一般像场中心较边缘分辨率高； 像场中心较边缘光场照度高
光波长度的影响： 在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波 长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位 置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源， 对提高系统精度有很大的作用。
13
工业镜头的主要类别：近摄物镜
近摄物镜
•接圈 简单的近摄物镜是在照相镜头和CCD相机之间加入 一个接圈，见图1.1－18 ，由此，CCD的敏感面可以位 于照相镜头的像方焦面的外面一段距离，从而可以摄取 到较近距离目标的像，但它受到图像清晰度的限制。
14
工业镜头的主要类别：近摄物镜
近摄物镜
6
失真（distortion）：（衡量镜头性能的指标之一） 又称畸变，指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变 为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的 几何形状，而不影响影像的清晰度。
光圈与F值
光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达 光圈大小我们是用F值，如f1。4，f2，f2。8 etc
20
工业镜头的主要类别：远距物镜
远距物镜
•远距物镜是一种焦距很长而镜筒较短的物镜，从物 镜前表面到像平面的距离小于焦距，这对于长焦距 物镜来说，有利于缩短物镜的轴向尺寸。按照上述 原理构成的远距物镜，结构型式是各种各样的，尤 其是前组，由于负担较大的光焦度，结构一般要比 后组复杂。
21
工业镜头的主要类别：反远距物镜
19
工业镜头的主要类别：远心物镜
远心物镜 •在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化， 所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差； •即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整 在像平面上，同样亲会产生测量误差。
•采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除物距变化带来的 测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的 测量误差。
5
■解析度 表示一组物镜所能见到了2点的最小间隔
0.61x 使用波长(λ)/ NA=解析度(μ) 以上的计算方法理论上可以计算出解析度，但不包括失真。 ※使用波长为550nm
■解像力 １mm中间可以看到黑白线的条数。单位（lp）/mm. ■MTF（Modulation Transfer Function） 成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度。
•近摄透镜 在摄像物镜前端拧上一个近摄透镜，可以摄取到更近 距离目标的像。采用近摄镜后，目标像的畸变增大了，为 此，近摄透镜的屈光率不能太大，使原工作距离的缩短量 一般不超过20％。
15
工业镜头的主要类别：远wk.baidu.com物镜
远摄物镜
•与近摄物镜相反，为了对远距离目标摄取到清晰图像， 要采用远摄物镜。这种物镜是一长焦距物镜。远摄物 镜可以是折射系统、反射系统或折反射系统。反射式 远摄物镜常采用卡塞格林式远摄物镜.折反式远摄物镜 由于采用前部校正透镜，其成像质量更加良好.
25
Any Questions?
谢谢大家
26
•
11
工业镜头的主要类别：分类方式
• • • •
按焦距划分：定焦和变焦 按光圈划分：固定光圈和可变光圈 按接口划分：C接口、CS接口、F接口等 按倍数划分：定倍镜头、连续变倍镜头
• 机器视觉行业常用到的很重要的镜头主要包 括FA镜头，远心镜头和工业显微镜 等
12
工业镜头的主要类别：常用摄像物镜 常用摄像物镜参数
8
光学放大倍数 用于计算主要缩放比例的公式如下：
PMAG = 感光芯片尺寸 (mm) / 视场 (mm)
图 2: 主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图
9
10
显示放大倍数
• 显示放大倍率在显微中应用非常广泛，被测物体的显示放大倍率取决于三 个因素：镜头光学倍率、工业相机感光芯片的尺寸（靶面大小）、显示器 尺寸。 显示放大倍率=镜头光学倍率×显示器尺寸×25.4/耙面对角线尺寸
2
工业镜头的接口 C接口和CS接口的区别 • C与CS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面 （摄像机CCD光电感应器应处的位置）的距离不同，C型接 口此距离为17.5mm., CS型接口此距离为12.5mm.。 C型镜头与C型摄像机，CS型镜头与CS型摄像机可以配合使 用。C型镜头与CS型摄像机之间增加一个 5mm的C/CS转接环 可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。
工业镜头的选择要点
对镜头的选择，我们首先必须先确定客户需求：
• 1、视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择 镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头， 以有利于运动控制。 • 2、景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小 的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可 能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选 择高景深的尖端镜头。 • 3、芯片大小和相机接口 ：例如2/3”镜头支持最大的工业 相机耙面为2/3”,它是不能支持1英寸以上的工业相机。 • 4、注意与光源的配合，选配合适的镜头 。 • 5、可安装空间：在方案可选择情况下，让客户更改设备 尺寸是不现实的。
反远距物镜
•反远镜是一种焦距较短而后截距很长的物镜，这样，在物 镜和CCD之间可以加入分光镜，以实现取景等作用。
22
工业镜头的主要类别：畸变物镜 畸变物镜
•畸变物镜能够在它的像中预先引入规定的畸变。当物镜 存在很大的负畸变时，实际上能够拍摄角视场超过180° 的物空间。这种物镜用于宇航研究、气像测量中。 •吉柳在1930年首先成功地实现了角视场180o和相对孔 径1：22的畸变物镜（图1.1－30b）。畸变物镜可以按照 反远距物镜的光路图作出。第一组由一或二个透镜组成， 并造成很大的畸变（图c、d）。第二透镜组用于校正像 差，以便获得清晰的像。
•为了研制超广角物镜，像场角余弦四次方的影响是最大 的障碍。但是由于负的畸变，在像场边缘上光束深缩， 因而在像场边缘上实际光学密度并不比视场中心低。
23
常用镜头图片
定 焦 镜 头 定倍远心镜头
Navitar zoom6000
连 续 变 倍 镜 头
Navitar zoom6000 连续变倍镜头组件
24
•主要参数有焦距f 光圈数F和视场2ω. 经验公式：1/F *tanω√f=C
F型接口类型摄像物镜焦距表（mm）
类型
鱼眼型
超广角型
广角型
标准型
焦距
7.5,15
17,20
24,28,35
50
C,CS型接口类型摄像物镜焦距表(mm)
类型 焦距 1/3″ 2.8-3.5 1/3 ″,1/2 ″ 3.5-6 2/3 ″,1 ″ 8-75
常用的工业镜头品牌及代理商
FA镜头和连续变倍镜头
24 25
连续变倍镜头图片 工业镜头选择要点
1
工业镜头的接口
物镜的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即F 型、C型、CS型。F型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于 25mm的镜头；而当物镜的焦距约小于25mm时，因物镜的尺寸不大， 便采用C型或CS型接口。
3-4 5 6 7 工业镜头的接口 工业镜头的基本参数 工业镜头的其他参数 光学放大倍率
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9 10 11-21
显示放大倍率
工业镜头各参数间相互影响关系 工业镜头的主要类别：分类方式 工业镜头的主要类别
分类方式、常用摄像物镜、近摄物镜、远摄物镜、 远心物镜、远距物镜、反远距物镜、畸变物镜
22-23
分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的 最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小 ，分辨率越好。
景深 (Depth of view ，即DOF)：物体离最佳焦 点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力 （需要了解客户对景深是否有特殊要求？）
图 1: 镜头基本参数示意图
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工业镜头的其他参数
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远心镜头特性 物方远心镜头可以消除透视畸变，像方远心镜头可以获得更 好的像面照度的均匀性。
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工业镜头的主要类别：远心镜头
远心镜头
•物方远心物镜 采用平行光路设计，物方远心物镜是将孔径光阑放置在光学系 统的像方焦平面上。
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工业镜头的主要类别：远心物镜
远心物镜
•像方远心光路 像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物 方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴。
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工业镜头的基本参数
视场(Field of view, 即FOV，也叫视野范围) ： 指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯 片的物体部分。（视场范围是选型中必须要了解 的） 工作距离(Working Distance,即WD):指从镜头 前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距 离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调 ？包括是否有安装空间等）
感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平 尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的 视场非常重要。镜头主要缩放比例 (PMAG) 由感光芯片的尺 寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸 和视场，但PMAG却不属于基本参数。 焦距（f）焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方 式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中， 从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。（需要记住的公 式） f={工作距离/视野范围长边（或短边）}X CCD长边（或短） 焦距大小的影响情况： 焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸变越大； 焦距越 小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低；
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工业镜头各参数间相互影响关系 光圈大小的影响情况： 光圈越大，图像亮度越高； 景深越小；分辨率越高； 像场中央与边缘： 一般像场中心较边缘分辨率高； 像场中心较边缘光场照度高
光波长度的影响： 在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波 长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位 置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源， 对提高系统精度有很大的作用。
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工业镜头的主要类别：近摄物镜
近摄物镜
•接圈 简单的近摄物镜是在照相镜头和CCD相机之间加入 一个接圈，见图1.1－18 ，由此，CCD的敏感面可以位 于照相镜头的像方焦面的外面一段距离，从而可以摄取 到较近距离目标的像，但它受到图像清晰度的限制。
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工业镜头的主要类别：近摄物镜
近摄物镜
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失真（distortion）：（衡量镜头性能的指标之一） 又称畸变，指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变 为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的 几何形状，而不影响影像的清晰度。
光圈与F值
光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达 光圈大小我们是用F值，如f1。4，f2，f2。8 etc
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工业镜头的主要类别：远距物镜
远距物镜
•远距物镜是一种焦距很长而镜筒较短的物镜，从物 镜前表面到像平面的距离小于焦距，这对于长焦距 物镜来说，有利于缩短物镜的轴向尺寸。按照上述 原理构成的远距物镜，结构型式是各种各样的，尤 其是前组，由于负担较大的光焦度，结构一般要比 后组复杂。
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工业镜头的主要类别：反远距物镜
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工业镜头的主要类别：远心物镜
远心物镜 •在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化， 所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差； •即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整 在像平面上，同样亲会产生测量误差。
•采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除物距变化带来的 测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的 测量误差。
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■解析度 表示一组物镜所能见到了2点的最小间隔
0.61x 使用波长(λ)/ NA=解析度(μ) 以上的计算方法理论上可以计算出解析度，但不包括失真。 ※使用波长为550nm
■解像力 １mm中间可以看到黑白线的条数。单位（lp）/mm. ■MTF（Modulation Transfer Function） 成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度。
•近摄透镜 在摄像物镜前端拧上一个近摄透镜，可以摄取到更近 距离目标的像。采用近摄镜后，目标像的畸变增大了，为 此，近摄透镜的屈光率不能太大，使原工作距离的缩短量 一般不超过20％。
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工业镜头的主要类别：远wk.baidu.com物镜
远摄物镜
•与近摄物镜相反，为了对远距离目标摄取到清晰图像， 要采用远摄物镜。这种物镜是一长焦距物镜。远摄物 镜可以是折射系统、反射系统或折反射系统。反射式 远摄物镜常采用卡塞格林式远摄物镜.折反式远摄物镜 由于采用前部校正透镜，其成像质量更加良好.
25
Any Questions?
谢谢大家
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工业镜头的主要类别：分类方式
• • • •
按焦距划分：定焦和变焦 按光圈划分：固定光圈和可变光圈 按接口划分：C接口、CS接口、F接口等 按倍数划分：定倍镜头、连续变倍镜头
• 机器视觉行业常用到的很重要的镜头主要包 括FA镜头，远心镜头和工业显微镜 等
12
工业镜头的主要类别：常用摄像物镜 常用摄像物镜参数
8
光学放大倍数 用于计算主要缩放比例的公式如下：
PMAG = 感光芯片尺寸 (mm) / 视场 (mm)
图 2: 主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图
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显示放大倍数
• 显示放大倍率在显微中应用非常广泛，被测物体的显示放大倍率取决于三 个因素：镜头光学倍率、工业相机感光芯片的尺寸（靶面大小）、显示器 尺寸。 显示放大倍率=镜头光学倍率×显示器尺寸×25.4/耙面对角线尺寸
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工业镜头的接口 C接口和CS接口的区别 • C与CS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面 （摄像机CCD光电感应器应处的位置）的距离不同，C型接 口此距离为17.5mm., CS型接口此距离为12.5mm.。 C型镜头与C型摄像机，CS型镜头与CS型摄像机可以配合使 用。C型镜头与CS型摄像机之间增加一个 5mm的C/CS转接环 可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。
工业镜头的选择要点
对镜头的选择，我们首先必须先确定客户需求：
• 1、视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择 镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头， 以有利于运动控制。 • 2、景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小 的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可 能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选 择高景深的尖端镜头。 • 3、芯片大小和相机接口 ：例如2/3”镜头支持最大的工业 相机耙面为2/3”,它是不能支持1英寸以上的工业相机。 • 4、注意与光源的配合，选配合适的镜头 。 • 5、可安装空间：在方案可选择情况下，让客户更改设备 尺寸是不现实的。
反远距物镜
•反远镜是一种焦距较短而后截距很长的物镜，这样，在物 镜和CCD之间可以加入分光镜，以实现取景等作用。
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工业镜头的主要类别：畸变物镜 畸变物镜
•畸变物镜能够在它的像中预先引入规定的畸变。当物镜 存在很大的负畸变时，实际上能够拍摄角视场超过180° 的物空间。这种物镜用于宇航研究、气像测量中。 •吉柳在1930年首先成功地实现了角视场180o和相对孔 径1：22的畸变物镜（图1.1－30b）。畸变物镜可以按照 反远距物镜的光路图作出。第一组由一或二个透镜组成， 并造成很大的畸变（图c、d）。第二透镜组用于校正像 差，以便获得清晰的像。
•为了研制超广角物镜，像场角余弦四次方的影响是最大 的障碍。但是由于负的畸变，在像场边缘上光束深缩， 因而在像场边缘上实际光学密度并不比视场中心低。
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常用镜头图片
定 焦 镜 头 定倍远心镜头
Navitar zoom6000
连 续 变 倍 镜 头
Navitar zoom6000 连续变倍镜头组件
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•主要参数有焦距f 光圈数F和视场2ω. 经验公式：1/F *tanω√f=C
F型接口类型摄像物镜焦距表（mm）
类型
鱼眼型
超广角型
广角型
标准型
焦距
7.5,15
17,20
24,28,35
50
C,CS型接口类型摄像物镜焦距表(mm)
类型 焦距 1/3″ 2.8-3.5 1/3 ″,1/2 ″ 3.5-6 2/3 ″,1 ″ 8-75
常用的工业镜头品牌及代理商
FA镜头和连续变倍镜头
24 25
连续变倍镜头图片 工业镜头选择要点
1
工业镜头的接口
物镜的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即F 型、C型、CS型。F型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于 25mm的镜头；而当物镜的焦距约小于25mm时，因物镜的尺寸不大， 便采用C型或CS型接口。