镜头的基础知识

镜头的基础知识

镜头是机器视觉系统的重要组成部分。镜头由多个镜片和光圈/调焦装置构成。根据监视画面进行光圈调整和调焦，可以得到“明亮、清晰”的图像。（有些镜头的调整装置是固定的）在了解了选择镜头的基础知识后，可以拍摄出视野适宜、图像整体聚焦良好、目标物和背景对比度俱佳的清晰图像。本小章将重点讲解镜头基础知识，产品种类等。镜头的基础知识

镜头一般由光学系统和机械装置组成,有些也集成了自动调光圈、自动调焦或感测光强度等功能的电子器件。镜头按焦距大小可以分为长焦镜头、标准镜头、广角镜头等，按用途通常可以分为安防用镜头（CCTVlens）、工业自动化镜头（FAlens），广播级别的镜头（Broadcastlens），高清晰电视用镜头（HDlens），机器视觉行业内通常有定倍镜头（Fixed-maglens）、变焦镜头（Zoom镜头）、远心镜头（Telecentriclens）、线扫描镜头（LineScanlens）等称谓，当然，这些分类并没有严格的划分界线。镜头的的基本参数包括焦距、光圈、景深和工作距离等，下面我们将详细介绍。

镜头的焦距

主焦点到透镜光心的距离，称为光学系统焦距。焦距是镜头的重要参数之一，视觉上常用的镜头焦距有8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm、75mm等等，焦距决定了像和实际物体的比例，同样的物距，焦距越小；视野越广，焦距越大，视野越窄，如图4.1所示。

镜头的光圈和f值

光圈简单的说就是控制镜头通光孔径大小的部件，通光孔径越大，通光量越多；通光孔径越小，通光量越小。f值是表示光圈的大小，光圈f值=镜头焦距/镜头通光孔直径，通光孔直径越大f值越小，通光量越大；通光孔直径越小f值越大，通光量越小，如图4.2所示。f值大f值居中f值小镜头光圈示意1、镜头的景深

在聚完焦后，在焦点前后范围内都能形成清晰的图像，这一前一后的范围，就是景深。景深大小与镜头光圈镜头焦距有关，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，如图所示。镜头景深示意2、镜头的工作距离和视野

工作距离（WD）：清晰对焦后，镜头到被检测物体的距离。

视野（FOV）：清晰对焦后，相机所能拍照到的大小，如图所示。镜头视野示意图

3、视觉检测像素精度的计算公式

单像素精度=FOV(X方向)/（相机芯片上X方向像素个数）=FOV(Y方向)/（相机芯片上Y方向像素个数）

例如：500像素相机分辨率2594*1944，视野是100mm*80mm，那么单个像素对应的精度就是0.04mm。4、镜头的畸变及畸变校正

光学透镜固有的透视失真的总称，也就是因为透视原因造成的失真，这种失真是透镜的固有特性造成（凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线），所以无法消除，只能改善，典型的是枕形失真和桶形失真。镜头畸变示意4、镜头的畸变及畸变校正

枕型失真是镜头引起的画面向中间“收缩”的现象，当使用长焦镜头或使用变焦镜头的长焦端时出现；桶形失真是镜头中透镜物理性能以及镜片组结构引起的成像画面呈桶形膨胀状的失真现象，当使用广角镜头或使用变焦镜头的广角端时出现，可以通过标定来进行畸变矫正。5、镜头接口

工业相机接口主要分螺口和卡口，螺口主要有0.75（M42、M58、M72）、C口，CS口，卡口主要有F口。一般情况下，C接口镜头可以接C接口相机，CS接口镜头可以接CS接口相机，当C接口镜头要接CS接口相机时需要外加接圈，如图所示。镜头接口示意6、镜头选型

在选择镜头时，视野、焦距、焦点、失真等都是需要考虑的因素，镜头可支持的芯片尺寸应大于或等于选配相机的芯片尺寸，镜头焦距f，视场大小，工作距离，光学倍率计算如下：f=工作距离（WD）*芯片尺寸（VorH）/FOV(VorH)；FOV（VorH）=工作距离（WD）*芯片尺寸（VorH）/焦距f；工作距离（WD）=f*芯片尺寸（VorH）/FOV(VorH)；光学倍率=芯片尺寸（VorH）/FOV(VorH)；相机像素（VorH）=FOV(VorH)/精度/2；

例如：视野FOV要求40*30mm，精度0.02，WD50mm，可以选择500万的相机，芯片尺寸6.4*4.8mm据公式可知f=8mm，选择焦距8mm的镜头。7、镜头文档和手册解读

下面以视觉龙VDL镜头为例介绍。选型解读表

编号项目符号规格（1）镜头种类A/L面阵/线阵（2）镜头接口CC口镜头CSCS口镜头FF口镜头EFEF卡口M72M72口镜头续表-选型解读表

编号项目符号规格（1）镜头种类A/L面阵/线阵（3）焦距/倍率055mm焦距fa镜头088mm焦距fa镜头1212mm焦距fa镜头1616mm焦距fa镜头2525mm焦距fa镜头3535mm焦距fa镜头5050mm焦距fa镜头7575mm焦距fa镜头续表-选型解读表

编号项目符号规格（1）镜头种类A/L面阵/线阵（4）光圈/工作距离14最大光圈为F=1.4的fa镜头18最大光圈为F=1.8的fa镜头20最大光圈为F=2.0的fa镜头28最大光圈为F=3.4的fa镜头65工作距离为65的远心镜头110工作距离为110的远心镜头（1）1.1英寸千万像素定焦VD镜头

最佳成像质量，支持1000万像素相机，低照度大通光孔径，TV畸变小于1%，聚焦范围从0.1M到无穷远，高相对照度。如VDLF-C0614-4：

镜头尺寸示意（VDLF-C0614-4）（2）2/3英寸定焦VD镜头

最佳成像质量，支持500万像素相机，低照度大通光孔径，TV畸变小于1%，聚焦范围从0.1M到无穷远，高相对照度，如VDLF-C0814-2：镜头尺寸示意（VDLF-C0814-2）如需要详细的视觉龙VDL镜头的选型资料请用微信扫右面二维码。1、镜头的焦距和光圈分别与景深的关系光圈越大，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。3、选用焦距

f=162、镜头的选型注意事项焦距、失真，镜头可支持的芯片尺寸应大于或等于选配相机的芯片尺寸，镜头焦距f，视场大小，工作距离。小结

本章主要介绍了镜头的焦距、光圈等参数，要重点了解光圈与景深的关系，还要掌握镜头的选型以及倍率和精度的算法；除此之外，还介绍了镜头接口的不同如何与相机搭配，镜头本身物理属性畸变的种类和形成原因等关于镜头的基础知识。镜头的焦距和光圈分别与景深有何关系？镜头的选型注意事项有哪些？已知产品大小25*40，使用500W相机（芯片尺寸6.4*4.8mm），工作距离在100mm~150mm之间，请问该选用焦距为多少？习题与思考空态AsBuilt静态AtRest动态OnOperation设施已经建成，所有动力接通并运行，但无生产设备，物料及人员。设施已经建成，生产设备已经安装并被认可，在无人员状态运行。设施以规定的状态运行，有规定人员在场，并在商定的状态下进行工作。4、洁净室——洁净度级别的状态第一节空气洁净原理洁净度级别悬浮粒子最大允许数/立方米静态动态(3)≥0.5μm≥5μm(2)≥0.5μm≥5μmA级(1)352020352020

B级3520293520002900C级3520002900352000029000D级352000029000不作规定不作规定4、洁净室——空气洁净度第一节空气洁净原理气流不断稀释室内空气，把室内污染逐渐排出，达到平衡。加快室内空气的扩散是保证稀释作用的关键。5、非单向流洁净室——基本原理第一节空气洁净原理1、顶送下回2、顶送下侧回3、顶送顶回4、侧送下侧回5、双侧斜送

下侧回6、单侧斜送

下侧回顶送下回是最好的、最理想的方式，其气流流动方向与灰尘沉降的方向是一致的，有利对灰尘的净化。但结构复杂、造价高。省去了下回风地下夹层(或地沟)是目前工程应用最多、最广泛的回风方式，也是乱流洁净室工程中首选的回风方式，但是这种回风方式同样存在影响生产工艺设备流水线的布置，阻挡回风口等缺陷。不是一种理想的送回风方式，容易产生送回风短路而且对大粒子灰尘也不易排除。但这种回风方式具有省投资、省空间、方便生产流水线的自由布置等优点。5、非单向流洁净室第一节空气洁净原理气流以均匀的截面速度，沿着平行流线以单一方向在整个室截面上通过的洁净室，气流产生类似“活塞”的挤压作用，迅速把室内污染排出。A.侧送侧回-水平单向流单向流洁净室B.上送下回-垂直单向流6、单向流洁净室——基本原理第一节空气洁净原理通过流线不交叉的气流斜推作用，将室内空气排至室外，达到净化室内空气的目的。扇形、半球形、半圆柱形从上部送风，对侧下回风。气流分布和成本介于单向流和非单向流之间；效果接近单向流。结构形式工作特点工作原理7、矢流洁净室第一节空气洁净原理1、除尘设备概述从气体中除去或收集固态或液态粒子的设备重力除尘装置惯性力除尘装置

离心力除尘装置

洗涤式除尘装置

过滤式除尘装置

电除尘装置

声波除尘装置除尘设备分类重力除尘器是借助粉尘的重力沉降，将粉尘从气体中分离出来的设备惯性除尘器是使含尘气体与挡板撞击或者急剧改变气流方向，利用惯性力分离并捕集粉尘的除尘设备离心力除尘器是利用气流在旋涡运动中产生的离心力以清除气流中尘粒的设备洗涤式除尘器是利用含尘气流与水或某种液体密切接触，使尘粒从气流中分离出来的装置。过滤式除尘器是利用多孔性介质的过滤作用捕集含尘气体中的粉尘的装置电除尘器是利用电场的作用清除气体中的固体或液体粒子的除尘装置是在声波振动下，引起尘粒共振，使尘粒之间相互碰撞，凝聚为较大颗粒而沉降下来，达到除尘的目的。第二节除尘原理及设备1、除尘设备概述第二节除尘原理及设备重力除尘过程重力除尘的特点气流进入重力沉降室后，流动截面积扩大，流速降低，较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。有层流式和湍流式两种。

具有结构简单，投资少，压力损失小的特点，维修管理容易，且可以处理高温气体。但体积大，效率低，一般只作为高效除尘装置的预除尘装置，来除去较大和较重的粒子。1、除尘设备概述——重力沉降室第二节除尘原理及设备1、除尘设备概述——惯性力除尘器惯性除尘器分类惯性除尘原理沉降室内设置各种形式的挡板，含尘气流冲击在挡板上，气流方向发生急剧转变，借助尘粒本身的惯性力作用，使其与气流分离。又称惰性除尘。分为碰撞式和回转式两种。前者是沿气流方向装设一道或多道挡板，含尘气体碰撞到挡板上使尘粒从气体中分离出来。显然，气体在撞到挡板之前速度越高，碰撞后越低，则携带的粉尘越少，除尘效率越高。后者是使含尘气体多次改变方向，在转向过程中把粉尘分离出来。气体转向的曲率半径越小。转向速度越多，则除尘效率越高。可分担系统的阻力，而且洁净室需定期进行灭菌消毒，在新风、排风管道设计合理时，调整相应的阀门，使系统按直流系统运行，便可迅速带走洁净室内残留的刺激性气体。1、集中式净化空调系统（2）双风机系统第三节净化空调系统为了节省投资和运行费，可将空调和净化分开，空调处理风量用小型风机，净化处理风量用大型风机，然后将两台风机再串联起来构成风机串联的送风系统。1、集中式净化空调系统（3）风机串联系统第三节净化空调系统当一个空调机房内布置多套净化空调系统时，可将几套系统并联，并联系统可公用一套新风机组，同时，并联系统运行管理比较灵活，几台空调设备还可以互为备用以便检修。1、集中式净化空调系统（4）风机并联系统第三节净化空调系统2、分散式净化空调系统（1）在集中空调的环境中设置局部净化装置室内设置净化工作台；(a)室内设置空气自净器；(b)层流罩；(c)室内设置洁净小室；(d)走廊或套间设置空气自净器；(e)送风增设高效过滤器送风机组(f)第三节净化空调系统柜式空调器与高效过滤器风机机组；(a)柜式空调器与高效过滤器送风口；(b)柜式净化空调器；(c)柜式空调器与洁净小室(d)2、分散式净化空调系统（2）在分散式柜式空调送风的环境中设置局部净化装置第三节净化空调系统2、分散式净化空调系统（3）净化空调系统比较第三节净化空调系统

物料传递窗

空气自净器层流罩洁净工作台空气过滤器空气吹淋室净化设备第四节净化设备及其应用1、空气过滤器第四节净化设备及其应用2、空气吹淋室空气吹淋室是人净或物净时的净化设备，它是利用高速（≥25m/s）的洁净气流吹落并清除拟进入洁净室、人身服装和物料表面上附着粒子的净化小室。按结构形式分类：通道式；小室式按作用方式分类：喷嘴型；条缝型第四节净化设备及其应用

洁净工作台是指在操作台的局部空间形成无菌无尘状态的局部净化装置3、洁净工作台第四节净化设备及其应用1、交通数据交通规划原理42交通量交通量的定义也称为交通流量，是指在单位时间内，通过道路某一地点、某一断面或某一条车道的交通实体数。按交通类型分，有机动车交通量、非机动车交通量和行人交通量，一般不加说明则指机动车交通量，且指来往两个方向的车辆数。交通量是一个随机数，不同时间、不同地点的交通量都有变化的。1、交通数据交通规划原理43交通量交通量的表达交通量时刻在变化，通常取某一时段内的平均值作为该时段的代表交通量。年平均日交通量（AADT）月平均日交通量（MADT）周平均日交通量（WADT）年平均日交通量（AADT）在城市道路与交通工程中是一项极其重要的控制性指标，用作道路交通设施规划、设计、管理等的依据。1、交通数据交通规划原理44交通量交通量的表达高峰小时交通量：一天24小时中，交通量最大的那个小时的交通量称为高峰小时交通量。高峰小时流量比：高峰小时交通量占该天全天交通量之比称为高峰小时流量比（以%表示）。高峰小时系数PHF：高峰小时交通量与高峰小时内某一时段交通量扩大为高峰小时后的交通量之比。1、交通数据交通规划原理45交通量交通量的表达高峰小时系数一般t=5min,6min,10min或15min;PHF<1;PHF越接近1，说明变化越平缓；PHF越小，说明峰值越明显。交通（流）量与交通流率交通流率是指将不足一个小时观测所得的交通量换算成一个小时所得的交通量。交通流率主要用于高峰小时内流量的变换分析和对道路交通能力、服务水平等的评价。1、交通数据交通规划原理46速度速度基本定义地点车速（Spotspeed）：也称为即时速度，指车辆通过道路某一地点（断面）时的瞬时车速；行驶车速（Runningspeed）：车辆行驶在道路某一区间的距离与行驶时间（不包括停车时间）的比值；区间车速（Overallspeed）：也叫行程车速，车辆行驶路程与通过该路程所需的总时间（包括停车时间）之比。1、交通数据交通规划原理47速度时间平均车速在观测时间内通过道路某断面所有车辆地点车速的算术平均值，即为该断面的时间平均车速，即：

式中：－时间平均车速（km/h）；

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