文章目錄

• • 鏡頭 · 基礎參數 · 焦距
  • 鏡頭 · 基礎參數 · 靶面
  • 鏡頭 · FA鏡頭 & 微距鏡頭
  • 鏡頭 · 遠心鏡頭
  • 鏡頭 · 紅外鏡頭
  • 鏡頭 · 電動變焦/變倍鏡頭
  • 鏡頭 · 液態鏡頭
  • 鏡頭 · 墊片/墊圈

鏡頭 · 基礎參數 · 焦距

• 焦距（FocalLength），是從鏡頭的中心點到焦平面上所形成的清晰影像之間的距離。焦距數值小，視角大，所觀察的范圍也大。

• 確定視野范圍(FOV)、工作距離(WD)以及相機靶面尺寸，可以計算出工業鏡頭的焦距𝑓，其計算公式為：$$光學放大倍率PMAG=\frac{相機靶面高度H_i}{視野高度H_o}$$ $$焦距f=\frac{光學放大倍率PMAG\times 工作距離WD}{1+光學放大倍率PMAG}$$
• 例如，使用1英寸靶面(12.8mm x 9.6mm)的相機，工作距離WD是300mm，視野FOV的高度是120mm，那么光學放大倍率𝛽= 9.6𝑚𝑚/120𝑚𝑚=0.08 ，焦距𝑓=0.08× 300𝑚𝑚÷1.08=22.22𝑚𝑚
• 實際選型時，應選擇最接近上述計算結果的鏡頭焦距，并根據鏡頭焦距，重新計算工作距離。

鏡頭 · 基礎參數 · 靶面

• 為保證畫面整體的可應用性，選用鏡頭的像面尺寸應略大于相機傳感器的靶面尺寸，否則會出現邊緣暗角/黑角等情況，影響使用。

鏡頭 · FA鏡頭 & 微距鏡頭

• 在工業生產的視覺應用中，較為廣泛的當屬于FA鏡頭，其價格相對較低且操作簡單，適用的范圍也很廣。FA鏡頭普遍支持百萬級像素，搭配C接口，但畸變較大，暗角明顯。與FA鏡頭相比，微距鏡頭也是一種定焦鏡頭，適用于高精度、短工作距離檢測。
• 相同點：
  • 通過調節工作距離和后焦進行清晰度和倍率的調節；
  • 應用場景主要是生產檢測、智能識別等；
  • 大部分FA和微距鏡頭均采用為C接口。
• 不同點：
  • 微距鏡頭的工作距離小，一般在100~300mm，FA鏡頭的工作距離為最短工作距離到無窮遠，微距鏡頭是針對近距離檢測進行設計的；
  • FA鏡頭的分辨率主要集中在百萬級像素，而微距鏡頭則支持超過一千萬像素；
  • 微距鏡頭畸變值低至0.05%，可媲美遠心鏡頭，而FA鏡頭，畸變值較大的甚至超出1%。

• 很明顯可以看出，與微距鏡頭相比，FA鏡頭的分辨率低，對比度不足，而微距鏡頭的橫、縱、斜向的線對對比度均比FA鏡頭更高。

• 在畸變的優化上微距的表現也更為亮眼，經實測微距鏡頭的光學畸變約為0.0687%，而FA鏡頭為1.44%。

鏡頭 · 遠心鏡頭

• 遠心鏡頭（Telecentric lens），是為糾正傳統工業鏡頭視差而設計，畸變系數極低，無透視誤差，它可以在一定的物距范圍內，使得到的圖像放大倍率不會變化，簡單的說這種鏡頭拍出來的圖像沒有近大遠小關系。
• 當檢查物體遇到以下情況時，最好選用遠心鏡頭：
  • 當被檢測物體厚度較大，需要檢測不止一個平面時，典型應用如食品盒，飲料瓶等。
  • 當被測物體的擺放位置不確定，可能跟鏡頭成一定角度時。
  • 當被測物體在被檢測過程中上下跳動，如生產線上下震動導致工作距離發生變化時。
  • 當被測物體帶孔徑、或是三維立體物體時。
  • 當需要低畸變率、圖像效果亮度幾乎完全一致時。
  • 當需要檢測的缺陷只在同一方向平行照明下才能檢測到時。
  • 當需要超過檢測精度時，如容許誤差為1um。
• 遠心鏡頭在選型時，需要注意以下參數：
  • 最大相面尺寸：與普通鏡頭的選型類似，遠心鏡頭的最大相面尺寸需≥配套的相機靶面尺寸。
  • 接口類型：目前遠心鏡頭提供的接口類型也跟普通鏡頭類似，有C口，F口等，只要跟相機配套即可使用。
  • 放大倍率：當放大倍率和相機靶面確定時，成像范圍即確定，反之亦然。
  • 工作距離：一般以上3點選定的情況下，工作距離已經確定在一個范圍之內，這是其成像光路決定的。需要注意的就是此工作距離是否滿足實際使用要求。當選用遠心系統進行檢測時, 建議先選定鏡頭，依據其工作距離設計其他機械結構。
  • 景深范圍：在滿足前面幾個使用條件的前提下,景深范圍越大,說明遠心系統的光學特性越好,在選型時可作為參考。
• 遠心鏡頭一般搭配面陣相機，但也有少數供應商提供適用于線掃相機的遠心鏡頭，如opto-engineering公司的TC4K 系列遠心鏡頭：

• 同一個工業相機，使用普通FA鏡頭（左）與使用遠心鏡頭（右）的拍攝對比：

• 遠心鏡頭的原理：最核心的一點是：遠心鏡頭是普通鏡頭與小孔成像原理的結合。
• 物方遠心鏡頭的原理：

• 這個小孔的作用就是只讓平行入射的物方光線可以達到像平面成像。從幾何關系可以看出這時像就沒有近大遠小的關系了。之所以叫物方遠心，是因為接收平行光成像，相當于物體在無窮遠處。
• 物方遠心鏡頭常用于工業精密測量，畸變極小，甚至可以達到無畸變。
• 其缺點是放大倍數與像距成直接關系。實際使用時相機安裝的遠近會影響放大倍數，所以每個鏡頭系統都要單獨的標定放大倍數。
• 像方遠心鏡頭（image-space telecentric）的原理：

• 光路是可逆的，那么將物方遠心鏡頭的光路反過來就成了像方遠心鏡頭的光路。
• 這種鏡頭的特點是放大倍數與像距無關，相機離得遠還是近都不影響放大倍數。
• 在工業圖像處理/機器視覺領域里，一般不會用到像方遠心鏡頭。
• 雙側遠心鏡頭 （double telecentric、bi-telecentric）的原理：

• 結合物方遠心和像方圓心的光路就成為了雙側遠心鏡頭。
• 雙遠心鏡頭在物空間和像空間兼具遠心性，這意味著主光線不僅在進入鏡頭時是平行的，在出射時也是平行的。這一特性對解決單遠心鏡頭的所有精度問題（比如點擴散函數不均勻性及缺少整個景深的放大倍率穩定性）是至關重要的。
• 當拍攝很厚的物體時，雙遠心度在獲得良好圖像對比度方面很有優勢：光學系統的對稱性以及光線的平行性促使圖像光斑保持對稱性，這樣可以降低模糊效應。這使得雙遠心光學器件的景深比非雙遠心的大20-30%。
• 雙遠心鏡頭擁有非常均勻的探測器照明，這在多個應用中都十分有用，比如LCD、紡織和印刷質量控制。當雙色向濾光鏡不得不集成在光路中用以光度和輻射測量時，雙遠心度確保了光線扇面軸垂直于濾光鏡表面，從而在整個探測器表面保持了光學帶通。

鏡頭 · 紅外鏡頭

• IR鏡頭即紅外鏡頭，采用特殊的光學玻璃材料及多層鍍膜技術，增加對紅外光線的透過率，消除可見光和紅外光的焦面偏移，使得可見光到紅外光區的光線都可以在同一個焦面成像。

• 短波紅外（ SWIR ）鏡頭：
  • 考慮寬波段透過可加工、透可見光等因素，一般采用ZNSE、ZNS、CaF2等原料。適合材料檢測，如光伏和半導體檢測，激光檢測；表征應用，如組件對齊和激光束剖面。
• 中波紅外（ MWIR ）鏡頭：
  • 通常是配合中波制冷型探測器使用，光欄置于鏡頭后方，因此鏡片比較大，還要考慮所謂的冷光欄效果（鬼影、反射，又叫冷屏效果）。體積雖然龐大，但是探測距離可以達到很遠，如150 ~ 300mm焦距， 可以看到10 km ~ 30 km的距離。
• 長波紅外（ LWIR ）鏡頭：
  • 其商業化程度較高，主要用于熱成像領域，采用低溫模壓成型非球面設計的硫系玻璃鏡頭，應用廣、價格低。

鏡頭 · 電動變焦/變倍鏡頭

• 電動變焦鏡頭有兩種類型，一種是二可變鏡頭，另一種是三可變鏡頭。
  • 二可變鏡頭是指焦距（f）、聚焦（Fcous）均通過馬達驅動變化，而光圈（IRIS）通過攝像機驅動信號自動控制，即自動光圈。
  • 三可變是指焦距、聚焦、光圈三個參數均通過電動馬達驅動變化。
  • 通常，二可變鏡頭性能略好于三可變鏡頭，價位略高。

鏡頭 · 液態鏡頭

• 液態鏡頭，其材質是可改變形狀的光學液態材料，采用電控方式來改變曲率半徑，從而改變焦距。在實際應用中，液態鏡頭和固定焦距成像鏡頭通常組合使用。
• 液態鏡頭能夠以毫秒級的反應時間在近距離或光學無窮遠對焦，這對于條碼讀取、包裝分類、安保和快速自動化等需要在多個位置進行對焦的應用來說是一種理想選擇。
• TECHSPEC? Cx 鏡頭為固定焦距成像鏡頭，采用獨特的三件式模塊化設計。前后鏡頭元件分開安裝，這樣可以方便接觸鏡頭中心孔徑光闌。這種設計可以使用戶輕松在 Cx 鏡頭中心裝入可變焦距液態鏡頭。

步驟 1:

• 選擇Cx鏡頭的焦距和兼容的變焦液態鏡頭和液態鏡頭支架。或者，只需選擇適當的Cx鏡頭套件，包括Cx鏡頭及其兼容的變焦液態鏡頭和液態鏡頭支架。

步驟 2:

• 將變焦液態鏡頭安裝到液態鏡頭支架中。接下來，將兩個產品組裝到Cx鏡頭中間.

步驟 3：

• 選項 1：將液態鏡頭連接至PixeLink USB 3.0 自動對焦相機。

• 選項 2: 與標準C接口相機配合使用。不包括驅動器，而且必須單獨購買獨立的液態鏡頭驅動器。

鏡頭 · 墊片/墊圈

• 在光學系統中使用墊片所帶來的兩個最為顯著的優勢是：較短的工作距離以及更大的放大倍率（縮減視場）。
• 其原理是：通過增加圖像距離𝐷_𝑖，使得工作距離𝑊𝐷縮短。

$$光學放大倍率PMAG=\frac{相機靶面高度H_i}{視野高度H_o}$$

$$鏡頭像平面的擴充距離LE=D_i?f=光學放大倍率PMAG\times 焦距f$$

• 鏡頭的擴充距離𝐿𝐸，是指為了實現聚焦，像平面必須后移的距離。多數工業鏡頭的工作距離WD都是按1m至0.5m設計的，當實際可用的工作距離過短時，可以使用鏡頭墊片配件來擴充𝐿𝐸，使工作距離縮短。
• 以一款35mm焦距鏡頭為例，比較其在搭配與沒有搭配一款11mm墊片時所呈現的性能：

無墊片11mm 墊片

焦距	35mm	35mm
鏡頭長度	41mm	52mm
圖像距離$D_i$	42.9mm	53.9mm
工作距離 WD	165mm	74.1mm
放大率	0.22X	0.54X
視場 (?")	28.5mm	11.88mm

• 墊片為系統所帶來的最顯著影響是將工作距離縮減超過一半，而且放大倍率也增加了超過兩倍。在空間狹窄的應用中，使用這款墊片也可帶來好處，因為總長度（圖像板與對象板之間的距離）得以縮短。
• 一般來說，如果墊片的長度超過焦距的一半，就不應使用墊片。

總結

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