焦距是什么意思

⼯业相机镜头焦距、⼯作距离、视野等选型的计算

（⼀）CCD和镜头的⼀些术语解释

镜头⼯作距离（WD）

⼀般是指镜头物⽅端⾯到被拍摄物体表⾯的物理距离。

光源⼯作距离（LWD）

⼀般是指光源物⽅端⾯到被照射物体表⾯的物理距离。

视场（FOV）

也称视野,是指能被视觉系统观察到的物⽅可视范围⼤⼩。

对于镜头⽽⾔，可观察到的视场跟镜头放⼤倍率及相机芯⽚选择有关。因此通常建议根据被观察物体的尺⼨，先确定所

需的视场，再确定相机芯⽚尺⼨及镜头放⼤倍率。在实际⼯程项⽬中，考虑到机械误差等问题，视场通常要⼤于待观测

物体的实际尺⼨，以确保在机械误差的范围内，物体始终位于视觉系统的可视范围内。

光学放⼤倍率

机器视觉⾏业⾥提到的镜头光学放⼤倍率通常是指垂轴放⼤倍率，即像和物的⼤⼩之⽐，计算⽅法如下：

光学放⼤倍率=感光芯⽚长边/视野长边

可见，光学放⼤倍率和所选相机芯⽚及所需视场相关。

如：已知相机芯⽚为2/3英⼨（8.8mm*6.6mm),

视场长宽为：10mm*8mm。

如⽤长边计算，放⼤倍率=8.8mm/10mm=0.88x；

如⽤短边计算，放⼤倍率=6.6mm/8mm=0.825x；

此时应取⼩的倍率0.825x作为待选镜头的光学放⼤倍率。否则，短边视场将不能满⾜要求。（若取0.88倍，则短边视场

=6.6mm/0.88x=7.5mm<8mm）。

在实际⼯程项⽬中，通常⽆需长短边都计算。经验的⽅法是：若视场接近于正⽅形或圆形，则取短边计算；若视场为长

条形，则取长边计算。

另外，您还可能听到过电⼦放⼤倍率和显⽰器放⼤倍率两个名词。他们与光学放⼤倍率相关却不相同，但三者常被混

淆，故在此说明。

电⼦放⼤倍率是指当相机上的图⽚显⽰在屏幕上时的图像放⼤倍数。如相机芯⽚是1/2英⼨（对⾓线为8mm）,显⽰屏是

14英⼨，则电⼦放⼤倍率=14*25.4mm/8mm=44.45x。

显⽰器放⼤倍率是指通过镜头在显⽰器上呈现的物体的放⼤倍率。如已指镜头光学放⼤倍率为0.2x,相机及显⽰器的电

⼦放⼤倍率是44.5x,则显⽰器放⼤倍率=光学放⼤倍率*电⼦放⼤倍率=0.2x*44.5x=8.89x。

相机芯⽚尺⼨

在前⾯描述放⼤倍率和镜头像⾯尺⼨时都涉及到相机芯⽚尺⼨。通常相机⼚商是以英⼨的形式表⽰的，但在实际计算

时，需要换算成各边以毫⽶为单位的计量⽅式。

时，需要换算成各边以毫⽶为单位的计量⽅式。

但有经验的朋友会发现，对于相机芯⽚尺⼨⽽⾔，1inch≠25.4mm，⽽有其特有的换算关系。为⽅便⼴⼤机器视觉从业

者进⾏计算，在此列出常见的相机芯⽚尺⼨对应关系，供参考。

当然，随着相机芯⽚的发展，越来越多芯⽚种类出现。最准确的芯⽚尺⼨计算⽅法是：相机像素颗数x像素尺⼨=芯⽚尺

⼨。如某相机分辨率为5120x5120,像素尺⼨为4.5µmx4.5µm,则芯⽚为正⽅形，边长

=5120x4.5µm=23040µm=23.04mm。

⾯阵相机、镜头选型计算公式

光学放⼤倍率=相机芯⽚长度/视野长边=焦距f/⼯作距离WD

（⼆）计算公式

⼯业镜头的焦距(fmm)可以根据FOV(视场),WD(⼯作距离)和CCD芯⽚尺⼨计算出来:

焦距计算公式

焦距f＝WD×CCD芯⽚尺⼨(horv)/FOV(HorV)

下⾯是常见的CCD芯⽚

1.1英⼨——靶⾯尺⼨为宽12mm*⾼12mm，对⾓线17mm

1英⼨——靶⾯尺⼨为宽12.7mm*⾼9.6mm，对⾓线16mm

2/3英⼨——靶⾯尺⼨为宽8.8mm*⾼6.6mm，对⾓线11mm

1/1.8英⼨——靶⾯尺⼨为宽7.2mm*⾼5.4mm，对⾓线9mm

1/2英⼨——靶⾯尺⼨为宽6.4mm*⾼4.8mm，对⾓线8mm

1/3英⼨——靶⾯尺⼨为宽4.8mm*⾼3.6mm，对⾓线6mm

1/4英⼨——靶⾯尺⼨为宽3.2mm*⾼2.4mm，对⾓线4m

f：镜头焦距

H:FOV⾼度尺⼨

V:FOV宽度尺⼨

WD：镜头⾄景物距离

v：CCD芯⽚宽度尺⼨

h：CCD芯⽚⾼度尺⼨

再来看看⼯作距离、视野的计算：

视场FOV(HorV)＝CCD芯⽚尺⼨(HorV)/光学倍率

⼯作距离WD=f(焦距）×CCD芯⽚尺⼨/FOV(HorV)

⼯作距离WD=f(焦距）×CCD芯⽚尺⼨/FOV(HorV)

光学倍率＝CCD芯⽚尺⼨(HorV)/FOV(HorV)

以上参数画图⽰意如下：

（三）硬件参数解释

实验⽤的相机与镜头的参数如下：

实验⽤相机参数：

实验⽤镜头的参数

视场⾓

镜头中有⼀个参数是：视场⾓（D*H*V）如果使⽤1/2"芯⽚尺⼨的相机的话，其为：51.9°*42.5°*32.4°

它为和视野⼤⼩不是⼀个概念，它的⼤⼩解决了视野⼤⼩，见下⾯的说明：

在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测⽬标的物像可通过镜头的最⼤范围的两条边缘构成的夹⾓，称为视场

在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测⽬标的物像可通过镜头的最⼤范围的两条边缘构成的夹⾓，称为视场

⾓。

在下图中，AOB⾓就是⽔平视场⾓，BOC就是垂直视场⾓。

视场⾓的⼤⼩决定了光学仪器的视野范围，视场⾓越⼤，视野就越⼤，光学倍率就越⼩。通俗地说，⽬标物体超过这个

⾓就不会被收在镜头⾥。

视场⾓（D*H*V），其中的H,V上⾯已经说清楚了。

但是D也是什么呢？如下图左边的⽰例，它应该是对⾓线构成的直径视场⾓（勇哥的理解）

视场⾓的其它特性如下：

视场⾓与焦距的关系：⼀般情况下，视场⾓越⼤，焦距就越短。

标准镜头：视⾓45度左右，使⽤范围较⼴。

远摄镜头：视⾓40度以内，可在远距离情况下拍摄。

⼴⾓镜头：视⾓60度以上，观察范围较⼤，近处图像有变形。

畸变

镜头在成像时，特别是⽤短焦距镜头拍摄⼤视场，图像会产⽣形变，这种情况叫做镜头的畸变，这是由于镜头的光学结

构和成像特性导致的，原因是由于视野中局部放⼤倍数不⼀致造成的图像扭曲。拍摄的视场越⼤，所⽤的镜头的焦距越

短，畸变的程度就越明显，⼀般有桶型畸变和枕型畸变两种，可以通过图像标定减弱这种平⾯畸变的影响。

那么上⾯镜头参数图⽚中的畸变值是怎么算出来的呢？

景深

景深则是镜头另⼀个重要的外部参数。它表⽰满⾜图像清晰度要求的最远位置与最近位置的差值，景深的计算可能会相

对⿇烦⼀些。它与镜头焦距、光圈值、⼯作距离和允许弥散斑的最⼤直径有关。由于允许弥散斑的最⼤直径是个相对

量，它的可接受直径很⼤程度上取决于应⽤，因此在实际视觉应⽤中以实验和参考镜头给出的参考值为主。简单的说：

•光圈越⼩，景深越深；

•焦距越短，景深越深；

•对焦距离（⼯作距离）越远，景深越深；

这个和我们摄影的经验是⼀样的。

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。

有了上⾯的知识，我们再来看看⼯业相机镜头上刻的参数都是什么意思：

（⽰例1）

8mm焦距镜头，最⼤光圈2.0，感光元件尺⼨1/1.8英⼨。

（⽰例2）

这个是做实验时⽤的镜头。

红⾊指向的是调整聚焦的环（也叫对焦环），蓝⾊指向的是调整光圈的环。

注意对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。

聚焦环上第⼀⾏依次内容为：8mm（不幸被⽔印盖住了），1：1.4，C，1/2“（这张图上看不到）

8mm为焦距，这个镜头固定焦距（定焦镜头）。还有可变焦距的镜头，如果是家⽤单反相机，焦距可能18mm到140mm

可变。

1:1.4指的最⼤光圈是1.4，即调到1.4的时候，光圈开得最⼤。

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光圈系数是镜头的重要内部参数，它就是镜头相对孔径的倒数，⼀般的⼚家都会⽤F数来表⽰这⼀参数。例如，如果镜

头的相对孔径是1：2，那么其光圈也就是F2.0。⽽在相机的镜头上，都会标写上这⼀指标。⽽由于光圈系数是相对孔

径的倒数，因此，如果光圈系数的标称值数字越⼤，也就表⽰其实际光圈就越⼩。⼀般来说，镜头的光圈排列顺序是：

1、1.4、2.0、2.8、3.5、4.0、5.6、8.0、11、16、22、32等等。随着数值的增⼤，其实际光孔⼤⼩也就随之减⼩，⽽

其在相同快门时间内的光通量也就随之减⼩。

这是插⼀个题外话，貌似最⼤光圈能反映出制造⼚家的实⼒，请看下⾯的百度知道的摘抄：

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光圈1.4和1.2能有多⼤差距？光圈1.4和1.2能有多⼤差距,差距肯定是有的：1、从光圈值来说，1.4和1.2差了约半档，

所以从进光量来说区别不是很⼤。2、从制造镜头的⾓度来说，从1.4上到1.2，它的制造难度要⾼得多，绝对不是1.4⽐

1.2的关系，我见过F=1.0的镜头，杂志上见过F=0.8的镜头，这个属于技术含量的产品，不是⽤差多少来表达的。⽽⽣

产⼚版也是⼀种⾃豪，并⾮每家⼚都有这种实⼒。3、⽤⼤光圈的镜头，它也属于⼀种⾝份的象征，买个QQ⼀样开，

何必去买劳斯莱斯，这是我们的想法，但是买劳斯莱斯的⼈不是这样想的。

C是相机的镜头接⼝类型，

1/2"是镜头成像圈所对应的感光靶规格。

常见的有1/3",1/2",2/3"和1".1"的镜头可兼容1/3",1/2",2/3"感光靶.但1/3"镜头⽤在1/2",2/3"和1"感光靶上通常会有暗

⾓。

聚焦环上第⼆⾏印着0.1,0.2,0.3,0.5,1,∞m，

指⽰当前焦点的位置，单位⽶，∞为⽆限远。

光圈环上印着：16，8，4，2.8，2,1.4，

最⼩数字1.4为最⼤光圈，16为最⼩光圈。

（⽰例3）

放⼀张家⽤单反相机的镜头上的标识，和⼯业相机的镜对⽐⼀下区别。

第⼀个是对焦环刻度标尺，指⽰当前焦点的位置，单位“ft”是英制长度单位英尺“foot”的英⽂缩写，“m”是公制长度单位⽶

“meter”的英⽂缩写，∞代表⽆限远；

第⼆个是变焦环刻度标尺，指⽰当前镜头的实际焦距，单位毫⽶mm；

第三个是光圈环刻度标尺，指⽰当前的光圈值，数值表⽰相应的F值，C代表关闭，Clod。

作者：hackpig