工业相机基础知识详述 —— 焦平面，像平面，弥散圆，光圈，分辨率，景深，接口，靶面尺寸

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工业相机基础知识详述 —— 焦平面，像平面，弥散圆，光圈，分辨率，景深，接口，靶面尺寸

一、焦平面
想到焦平面，很多人不由自主就想到不就是焦点所在的垂直于光轴的平面吗？其实其背后隐藏这更多的东西。

1）焦点不止一个
对于一般拍摄场景来说，光通过一个凸透镜，汇聚不到一个点，越靠近中轴线的光束聚焦得越远，越靠近透镜边缘的光聚焦得越近，这是光学误差的一种，叫球差，如下图所示。只在理想情况下，光从无限远汇聚到凸透镜，才会汇聚一点。

第一焦平面：过第一焦点且垂直于系统主光轴的平面称第一焦平面，又称前焦面或物方焦面，一般为边缘光束汇聚的焦点；
第二焦平面：过第二焦点且垂直于系统主光轴的平面称第二焦平面，又称后焦面或象方焦面，平面一般为接近凸透镜中心部分的光汇集的焦点。
工业相机镜头是由多片薄的凸透镜组成，其焦距是镜头的中心点到胶平面（胶片或CCD）上所形成的清晰影像之间的距离，也就是下文的像距。
工业相机镜头焦距常规的有6mm, 8mm, 12mm,16mm,25mm ,35mm , 50mm,75mm。其选型公式为：
焦距（f）=工作距离（WD）*CCD靶面型号尺寸（V或者H）/视场大小或者物体高度（FOV）
所以在WD和CCD尺寸确定的情况下，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。
2）焦平面或者是焦距和什么相关？
根据公式：
1/u(物距)+1/v（像距）=1/f（透镜焦距）
此公式不太适用于工业相机成像，只适用于理想情况单凸透镜成像，所以要区分相机的焦距与单片凸透镜的焦距，工业相机焦距等于像距，都在感光区，1/物距基本忽略不计。
3）对焦和变焦
对焦通常指调整镜片组和底片（传感器平面）之间的距离，从而使被摄物在CCD/CMOS上成的像清晰。
变焦就是改变镜头的焦距（准确说是像距），以改变拍摄的视角，也就是通常所说的把被摄体拉近或推远。例如18-55mm和70-200mm镜头就是典型的变焦镜头。焦距越长，视角越窄。

二、像平面
像平面是指成像平面，可以理解为用胶片相机拍摄，那个胶卷就是像平面,要是用数码相机拍摄，那么像平面就是CCD等感光元件。所以对于我们来说，像平面是已经固定的，根据上文，像距与焦距相同。

三、弥散圆
物点成像时，由于像差，其成像光束不能会聚于一点，上面解释了，所以会在像平面/CCD上形成一个扩散的圆形投影，成为弥散圆。当使点光源经过镜头在像平面成像，如果此时保持镜头与像平面距离不变，沿光轴方向前后移动点光源，则像平面上成的像就会成为有一定直径的圆形，就叫弥散圆。
弥散圆大小取决于镜头孔径（光圈）和点光源偏离程度（物距）。
通常情况下，肉眼分辨率为二千分之一至五千分之一。人眼在明视距离（眼睛正前方30厘米）能够分辨的最小的物体大约为0.125mm。所以，弥散圆放大在7寸照片（这是个常用尺寸）也只能是0.125mm以内，也就是图像对角线长度的1/1730左右，所以，拍摄的图片上看不到弥散圆。

四、光圈
光圈是一个用来控制光线通进入镜头的装置，它通常是在镜头内，对于已经制造好的镜头，我们不可以随意的改变镜头的镜头，但是可以通过在镜头内部加入多边形或者圆形，并且面积可变的孔径光栅来达到控制镜头通光量。
这点一般对于工业相机来讲不适用，因为工业相机光圈已经是固定好的，一般不支持增加，但可以手动调整。
光圈（Aperture）在工业相机镜头中是由几片极薄的金属片组成，中间能通过光线。通过改变孔的大小来控制进入工业镜头的光线量。光圈开得越大，通过工业镜头进入的光量也就越多。光圈的值通常用f来表示。

五、景深（Depth of Field，DOF）
景深是指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。距离拍摄物体越近时，景深越小，拍摄距离越远，景深越大。

六、分辨率
相机每次采集图像的像素点数（Pixels），对于工业数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的。目前工业数字相机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。分辨率影响采集图像的质量，在对同样大的视场（景物范围）成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。
像素深度：每位像素数据的位数，常见的是8bit，10bit，12bit。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。例如对于像素深度为8bit的500万像素，则整张图片应该有500万*8/1024/1024=37M。

七、接口
相机与镜头的连接方式包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1 M75x0.75。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。
C接口和CS接口是工业摄像头最常见的国际标准接口，为1英寸－32UN英制螺纹连接口，C型接口和CS型接口的螺纹连接是一样的，区别在于C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm。所以CS型接口的摄像头可以和C口及CS口的镜头连接使用，只是使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈；C型接口的摄像头不能用CS口的镜头。
F接口镜头是尼康镜头的接口标准，所以又称尼康口，也是工业摄像头中常用的类型，一般摄像头靶面大于1英寸时需用F口的镜头。
V接口镜头是著名的专业镜头品牌施奈德镜头所主要使用的标准，一般也用于摄像头靶面较大或特殊用途的镜头。
在光学系统中，最后一个光学镜片表面的顶点到像面的距离称为后截距。

八、靶面尺寸
图像传感器的感光部分的大小。 常见的靶面有1/4’’、1/3’’、1/2’’、2/3’’、1’’等几种。
尺寸明细可见下方链接，非常细。
靶面尺寸和镜头焦距配套对应的视场角

镜头：
具体镜头概念可见：
镜头基础知识
共轭镜头：
这个概念听上去复杂，其实很简单，分为两种，有限共轭镜头和无穷共轭镜头。有限共轭镜头：像点对应的物点只能在有限的距离内，工业微距镜头大多是有限共轭镜头。
无穷共轭镜头是指：像点对应的物点在无穷远处（可以理解为很远处）。手机摄像头、普通镜头都是无穷共轭镜头。

蓝光和红光的区别
蓝光由于波长更短，衍射效应更弱，因此刻画细节的能力更强，拍摄微小的物体，蓝光是首选。黑白CCD对红光更敏感，但其实这优势并不大，或许在需要尽量减轻环境光干扰的时候，有一点作用。红色光源通常要比蓝色光源便宜。

曝光和增益
曝光(Exposure)是图像传感器进行感光的过程，在曝光过程中,CCD/CMOS收集光子并转换成电荷;曝光结束后,CCD/CMOS通过一定的方式将电荷移出。从光曝光对照片质量的影响很大,如果曝光过度,则照片过亮,失去图像细节;如果曝光不足,则照片过暗,同样会失去图像细节。控制曝光就是控制总的光通量,也就是曝光过程中到达CCD/CMOS表面的光子的总和。
增益是指经过双采样之后的模拟信号的放大增益量，通常增益值越高，相机感应光的能力越强，相应的噪点也越多，画质也越差。
曝光和增益是直接控制传感器(CCD/CMOS)上读出来的数据，是要优先调节的，以调节曝光时间为主。在不过曝的前提下，增加曝光时间可以增加信噪比，使图像清晰。
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