机器视觉系统中，工业镜头作为必备的器件之一，须和工业相机搭配。工业镜头是机器视觉系统中不可或缺的重要组成部分，其质量和性能直接影响到整个系统的成像质量和检测精度。
目录
一、基本功能和作用
二、分类
1、按成像方式分
2、按焦距分
3、按接口类型分
4、按应用领域分
三、主要参数
1、焦距
2、光圈
3、视场角
4、视野（Field of View，FOV）
5、光学放大倍率（β）
6、数值孔径
7、法兰距
8、机械后截距
9、光学后截距
10、分辨率
11、景深
12、最大相对孔径与光圈系数
13、F数(F#Fno.)
14、有效F
15、明锐度
16、畸变（失真%）
四、工业镜头选型
五、工业镜头的应用
六、工业镜头使用中常见的问题
一、基本功能和作用
工业镜头的基本功能是实现光束变换（调制），在机器视觉系统中，其主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，因此合理地选择和安装镜头是机器视觉系统设计的重要环节。
相机镜头由多个透镜，可变(亮度)光圈和对焦环组成。
二、分类
工业镜头可以根据不同的分类标准划分为多个类型：
1、按成像方式分
透视镜头：最常见的工业镜头类型之一，其成像原理与人眼相似，可以拍摄物体表面的纹理和细节，适用于需要高清晰度的应用场景。反射镜头：利用反射原理成像，通常适用于拍摄透明或半透明物体，具有较小的畸变和较高的对比度。折射镜头：利用光的折射原理成像，适用于拍摄具有镜面反射的物体，通常具有较高的分辨率和较小的畸变。
2、按焦距分
定焦镜头：焦距固定，无法调节，但具有较高的光学性能和较小的畸变，适用于需要高清晰度和高精度的应用场景。变焦镜头：焦距可以在一定范围内调节，具有更大的灵活性，适用于需要拍摄不同距离的物体或需要调整拍摄角度的场景。
微距镜头：专门用来近物距成像的镜头。成像比例2:1~1:4的范围内特殊设计的镜头。在对图像质量要求不是很高的情况下，一般可采用在普通镜头和相机之间加近摄接圈的方式或在镜头前加近拍镜方式来达到微距镜头的效果。
线扫镜头：最大限度减少中心于边缘之间分辨率和光线强度差异及失真，专为线扫相机设计，一般搭配大面阵相机。
远心镜头：主光线平行于光轴，同轴照明。
显微镜头：一般使用在高分辨率的场合，为了看清目标的细节特征。它们基本的特点是工作距离短，放大倍率高，视场小。成像比例大于10:1，但由于现有工业相机像元尺寸已做到3um以下，所以一般成像比例大于2:1时也会选用显微镜头。
3、按接口类型分
C接口镜头：一种通用的工业镜头接口标准，适用于大多数工业相机，具有较小的体积和较轻的重量。CS接口镜头：比C接口镜头更短，适用于需要更小体积的应用场景，通常用于微型相机或特殊需求的场景。其他接口类型镜头：如EF接口、V接口等，通常用于特殊的应用场景或特定的相机型号。V口主要用于大靶面或一些特殊用途中；Canon EF口，一般需要自动聚焦自动光圈时会考虑此接口。
随着相机靶面的逐步增大，现在也出现了M42、M58、M72等接口，在不影响成像靶面和通光量的前提下，它们都可以通过某些转接环转变成F口。
4、按应用领域分
机器视觉镜头：应用最广泛的一类工业镜头，具有高分辨率、高对比度、低畸变等特点，适用于各种机器视觉应用。安防监控镜头：具有较大的视场角和较高的清晰度，适用于监控摄像头、门禁系统等安防领域。医学影像镜头：用于医疗诊断和治疗，具有高分辨率、高对比度、低畸变等特点。科研仪器镜头：具有特殊的光学性能和设计，以满足科学实验和研究的需求。
机器视觉常用的镜头对比
三、主要参数
1、焦距
焦距是指平行光入射时从镜头的后侧主点到成像平面的距离，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式。工业镜头的焦距是指焦点到像方主面的距离，是镜头的主要性能指标之一。目标的成像位置和成像大小由焦距决定。主点到成像面的距离，决定了拍摄范围的不同。数值小，成像面距离主点近，是短焦距镜头，画角广，可拍摄广大的场景；数值大，主点到成像面的距离远，是长焦距镜头，画角窄。
2、光圈
镜头内部的一个多边形或圆形且面积可变的孔状光栅装置，用于控制镜头的通光量。光圈系数是指镜头焦距与整个镜头入瞳直径的比值，通常用f/#来表示。f/#值越小，光圈越大；f/#值越大，光圈越小。
3、视场角
在光学工程中，视场角是指镜头对图像传感器的张角。以光学镜头为顶点，以被测目标可通过镜头成像的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。视场角用来衡量镜头的成像范围。镜头焦距决定了视场角的大小。焦距越长，视场角越小；相反，焦距越短，视场角越大。
4、视野（Field of View，FOV）
也叫视场范围，是指镜头能观测到的实际范围。如下图，例1: 假设焦距为16mm,CCD大小为3.6mm,则工作距离应为200mm,这样才能使视场等于45mm。工作距离和视场大小由焦距和CCD大小来决定。在不使用近摄环的情况下，可套用以下比例表达式：工作距离:视角=焦距:CCD大小。视野大小是(传感器尺寸)÷(光学放大倍率β)。(计算示例)光学放大倍率=0.2x,相机尺寸1/2"(4.8mm宽、6.4mm长):视野大小宽度=4.8/0.2=24(mm)长度=6.4/0.2=32(mm)
5、光学放大倍率（β）
成像尺寸与物体尺寸的比例，也就是像的大小与物的大小之比。公式如下：β=y'/y=b/a=NA/NA'=相机元件尺寸/视野真实尺寸。
6、数值孔径
当物体在入瞳上产生的半角为u,且折射率为n,n x sin u为物体侧数值孔径(NA)。如果图像在出瞳上形成的半角是u',折射率是n',则n' x sin u'被称作图像侧的数值孔径NA'。通常NA指物体侧数值孔径。在说明镜头分辨率与亮度时,是一个重要的值。NA=nxsinu NA'=n'xsinu'NA越高，镜头的分辨率与亮度越佳。
7、法兰距
镜头法兰面到像面（芯片）的距离。相机法兰距时是指相机后壳外端至相机芯片的距离。如下图B所示。
8、机械后截距
又称镜头后截距，镜头最后的机械面到像面（相机芯片)的距离。如下图A所示。
9、光学后截距
镜头最后端镜片表面顶点到像面的距离。
10、分辨率
又称鉴别率、解像力，指镜头清晰分辨被摄物细节的能力，即能靠近的最近距离测量值。例如,1μm分辨率是指可辨别相距1μm的2点。我们这里说的分辨率值为镜头的理论分辨率。下面是根据镜头无像差光线衍射计算理论分辨率的公式。分辨率=0.61xλ/NA（λ:为设计波长,通常为550nm）。 制约工业镜头分辨率的原因是光的衍射现象，即衍射光斑（爱里斑）。分辨率的单位是“线对/毫米”（lp/mm）。100lp/mm是指可辨别的黑白色间距为1/100mm(10μm)。黑白线条的宽度为1/200mm(5μm)。
11、景深
即DOF（Depth Of Field），指在感光芯片上能获得清晰成像的物距范围。在景物空间中，位于调焦物平面前后一定距离内的景物，还能够结成相对清晰的影像。位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影像的景物间之纵深距离，也就是能在实际像平面上获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称为景深。焦距越短，景深越大。镜头离物体的距离越远，景深越大近摄环和微距镜使景深变小。光圈越小，景深越大。小光圈和良好的光线使聚焦更简单
12、最大相对孔径与光圈系数
相对孔径是指该工业镜头的入射光孔直径（用D表示）与焦距（用f表示）之比。相对孔径的倒数称为光圈系数（aperture scale），又称为f/制光圈系数或光孔号码。一般镜头的相对孔径是可以调节的，其最大相对孔径或光圈系数往往标示在工业镜头上，如1:1.2或f/1.2。
13、F数(F#Fno.)
此参数表征了镜头的通光能力。将镜头的焦距除以入瞳直径D,即可得到此数值。它也可以通过NA和镜头光学倍率计算而出。数值越小,镜头成像越明亮。F#=f/D
14、有效F
此值为具体在有限距离内的镜头亮度,指实际操作时的亮度。光学放大倍率(β)越大,则镜头越暗。有效Fno.=β/(2x NA)=1/(2xNA')有效Fno.=(1+β)xFno*
15、明锐度
也称对比度，是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。
16、畸变（失真%）
畸变是轴外点成像时,直线呈现弯曲的现象。直线朝向中心的畸变情况为枕形畸变(Pincushion Distortion),向外扩张的畸变称为桶形畸变(Barrel Distortion)。
四、工业镜头选型
镜头选择必须确定这些参数：
1. 目标视野的大小和工作距离：以此确定镜头的焦距大小或者光学放大倍率。
2. 相机感光芯片的大小：确定镜头的靶面大小。
3. 相机的镜头接口类型：必须匹配或者有可行的转接手段。
4. 相机的像元尺寸：确定镜头的分辨率是否合适。
5. 景深要求：景深有要求的项目，尽可能使用小的光圈。如果项目要求比较苛刻时，倾向选择高景深的尖端工业镜头。
6. 注意与光源的配合，选配合适的工业镜头。
7. 可安装空间：以此考虑镜头的尺寸。
选型步骤：
1、根据相机的分辨率和芯片尺寸确定芯片的高度和宽度。
2、确定视场
根据被测物体的尺寸，视场应大于或等于被测物。
3、计算放大倍率
放大倍率β是传感器尺寸和物体尺寸之比:β=传感器尺寸/物体尺寸
4、根据视野（FOV）和工作距离（WD）确定焦距（f）。
焦距f ＝ WD × 靶面尺寸( H or V) / FOV( H or V)视场FOV ( H or V) ＝ WD × 靶面尺寸( H or V) / 焦距f视场FOV( H or V) ＝ 靶面尺寸( H or V) / 光学倍率光学倍率 ＝ 靶面尺寸( H or V) / FOV( H or V)
5、检查接口类型和分辨率
- 接口类型：确保镜头的接口类型与相机匹配（例如C接口）。
- 分辨率：选择分辨率高于相机的镜头。例如，镜头的分辨率为5MP（500万像素）或更高。
注意可安装空间：以此考虑镜头的尺寸。
五、工业镜头的应用
工业镜头广泛用于反射度极高的物体定位检测，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测，以及MARK点定位等。此外，它还被应用于玻璃割片机、点胶机、SMT检测、贴版机等工业精密对位、定位、零件确认、尺寸测量、工业显微等领域。在高速流水线检测电子元器件外形缺陷和尺寸、检测电路板线路及插孔位置、检测针剂液量、对药品包装喷印批号生产日期和保质期文字检测以及食品灌装线在线检测等方面，工业镜头也发挥着重要作用。
六、工业镜头使用中常见的问题
1、 什么事MTF曲线？
MTF的全称是Modulation Transfer Function，俗称“调制传递函数”。MTF综合反映了镜头的反差和分辨率特性，它是用仪器测量的，可以完全排除胶片等客观因素的影响和人工判读的主观因素影响，是很客观很准确的一种镜头评价方法。
看懂MTF曲线可以分为三步：
1. X、Y坐标的含义：横坐标0代表为镜头中心，另一侧代表镜头边缘；纵坐标从0到100为镜头性能百分数。MTF曲线越高，代表了镜头MTF得分越高，性能越好。MTF下降的越缓慢，代表了镜头中心和边缘的一致性好。
2. 实线、虚线的含义：实线表示平行于直径方向产生的MTF曲线，称为弧矢曲线，标为S （Sagittal）；虚线表示垂直于直径方向产生的MTF 曲线，称为子午曲线，标为M（Meridional）。实线和虚线越接近，代表了镜头子午和弧矢两个方向的MTF表现越接近，镜头性能越好。
3. 不同的实/虚线组：代表着不同疏密程度下（如10lp/mm或者30lp/mm或者频率更密集的线对）的MTF性能表现。高密度的MTF曲线得分越高，代表了镜头可观测细小物体能力更强。
2、什么情况下需要用远心镜头？
如果机器视觉系统的最终目标是在小视野范围内实现高精度的测量、定位等目标，推荐使用远心镜头。
3、如何判断镜头分辨率是否与相机匹配？
像方分辨率 VS 芯片像元大小×2 像方分辨率 = 物方分辨率×倍率
4、如何判断景深够不够？
景深= （2×有效Fno×可接受弥散斑直径）/β² （β为镜头光学倍率） 有效Fno = （1+β）Fno
在实际项目中，如可接受的过度像素是3个，那么此3个过度像素的长度就作为弥散斑的半径，此时计算该应用中的景深所用的弥散斑直径就是：2 x 3 x像元尺寸。
6、变倍和变焦的区别？
变焦
要区分光学系统是定焦还是变焦，关键在于观察其焦点和焦距是否可变。变焦是通过改变透镜的形状或折射率，从而使光学系统的主点、焦点及焦距发生变化。镜头光学系统通常由多枚透镜组合而成，这些透镜间相对位置的变化也会影响整个系统的折射率。
在工业自动化领域，变焦镜头通过调整内部镜片位置来改变焦距，实现变焦功能。
变倍
理想光学系统的成像遵循公式：1/u + 1/v = 1/f（忽略方向性），其中u代表物距，v代表像距，f代表焦距。在焦距f固定时：
- 若像距v减小，则物距u增大；
- 若像距v增大，则物距u减小。
进一步地，对于同一光学系统：
- 物距u越大，成像倍率越小；
- 物距u越小，成像倍率越大。
变倍功能正是通过调整成像系统中的物距u与像距v来实现的。
我们大多数情况下所使用的镜头，都会明确标注焦距25mm，35mm，90mm等等。其都是定焦镜头，但是我们在使用的时候还是会说到“调焦”这个词，其实这里说的调焦就是指变倍。也就是说成像系统本身没有变化，它的焦点，主点，焦距什么都没变，通过移动整组镜头，改变了物体、像和它之间的距离，那么得到的像的大小是不一样的，也就是倍率改变了，这就是变倍的概念。
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