簡 介

工業相機使用的典型鏡頭實際上是由外殼內部的多種光學鏡片組成的鏡頭系統。根據不同的技術，這種類型的相機鏡頭稱為“復合鏡頭”。然而，當相機鏡頭配備可安裝各種相機的安裝環時，通常俗稱為鏡頭系統。視覺系統選擇適當的相機鏡頭對于實現特定的成像效果至關重要。本文將探討鏡頭的物理屬性、鏡頭類型及其獨特的光學特性和其他考慮因素，例如與不同尺寸傳感器的兼容性、足夠大的光圈以及光學像差的影響。本文末尾也將討論擴展從鏡頭選擇中受益最大的應用情況。相機使用的各種鏡頭如圖1所示。

圖1｜各種尺寸和焦距的鏡頭

物理結構

焦距

為應用選擇合適的鏡頭需要仔細考慮鏡頭焦距問題。有兩種主要類型的相機鏡頭，分別為定焦鏡頭和變焦（也稱為可變焦距/套裝）鏡頭。這兩種類型鏡頭的主要區別在于定焦鏡頭具有固定焦距，而變焦鏡頭具有一系列不同的焦距。

焦距是相機傳感器到相機鏡頭光線聚焦位置的距離，如圖2所示。焦距通常以毫米（通常縮寫為mm）為單位，能夠傳達大量有關待捕獲圖像類型的信息，例如鏡頭可以拍攝圖像的視角（通常稱為視野或FoV）以及圖像內目標的放大倍率。如需了解根據應用的工作距離找到完美焦距的數學方法，請閱讀白皮書《為視覺系統選擇鏡頭》。

圖2｜測量相機系統內的焦距

對視角影響不大的正常焦距約為50mm。這種視角類似于人眼可以看到的正常視角。典型變焦鏡頭的焦距范圍為35-70mm，并提供一系列視角，但不會過度拉伸或放大拍攝對象。盡管由于膠片和傳感器的物理設計，這種視角被裁剪成一個框框，但它仍然是捕獲“正常”圖像的標準。

本文將探討各種類型的鏡頭，以幫助相機用戶更好地了解每種鏡頭類型可以實現的功能，例如使用長焦鏡頭獲得更近距離（或放大）的圖像，用廣角鏡頭增加FoV。

聚焦環

相機用戶手動調節相機鏡頭的焦距被稱為拉焦。當某人需要調整相機位置并重新聚焦鏡頭時，通常采用拉焦這種方式。在商業成像應用中，最終用戶傾向于將工業相機連接至位置固定的安裝設備。當相機始終指向同一個目標時，定焦鏡頭可以在設置過程中調節焦距，或者使用自動對焦來調節焦距，但沒有可以改變焦距的變焦環。但是，某些需要移動組件的應用可能需要相機在不同焦距處重新聚焦。在相機移動拍攝的應用中，例如機器人或航空成像，是否能夠用不同焦距的鏡頭進行聚焦可能會很重要。

變焦環

變焦環可以改變相機的焦距。增加相機的焦距后，變焦環實際上會縮小FoV。因此拍攝出特寫圖像，但視野內的周圍環境細節會減少。圖3對此進行了舉例，其中相機越放大（焦距越長），相機聚焦的距離越遠，FoV就越窄。

圖3｜視野隨焦距增加變長變窄

相機鏡頭內的光學元件數量因鏡頭類型而異。一般來說，其中一個主要因素為鏡頭是變焦鏡頭還是定焦鏡頭。套裝鏡頭在鏡頭組合件中將有更多的鏡片，因為這種鏡頭需要能夠調節相機的焦點。變焦環增加了相機的光學元件，因為它引入了更多需要調節到達傳感器的光線的部件。但是，定焦鏡頭操作通常更簡單，零件也更少。因此價格通常也比較實惠。

鏡頭接口

在選擇鏡頭之前，通常首先考慮相機或傳感器。針對特定應用選擇相機時，需要根據鏡頭接口的類型來確定可用的鏡頭類型。制造商可能會使用獨特的、或專有的接口來將鏡頭固定到相機上。各種鏡頭接口可以兼容一系列不同尺寸的相機傳感器。由于大多數鏡頭接口設計只兼容特定尺寸的傳感器，在調整至新鏡頭時，可能需要使用兼容的相機，或者采用更實惠的解決方案—轉接環。轉接環允許相機使用通常與其不兼容的鏡頭接口。因此誕生了許多可與相機組合的潛在鏡頭類型和制造商。

整合鏡頭與轉接環時，制造商之前可能已經植入的某些專有技術可能不再兼容。這可能會導致相機失去部分有用的功能，例如自動對焦或通過相機調節光圈的能力。但是，如果工業相機制造商進行OEM級別的整合，則仍有可能整合一些通常只歸屬于鏡頭制造商的功能。例如，Teledyne Lumenera可以利用佳能EF鏡頭內置的自動對焦功能。

但是，最理想的情況是使用與相機傳感器尺寸相匹配的鏡頭，從而最大限度地提升光學性能。常見的鏡頭接口類型包括A、E、EF、C、CS和S接口（也稱為M12接口）。Teledyne Lumenera最常將C接口和CS接口鏡頭用于機器視覺和工業應用。歸根結底，給定成像應用中使用的鏡頭接口類型將根據相機類型和任何尺寸限制而有所不同。

圖4｜微型三分之四（M4/3）傳感器的鏡頭接口

鏡頭清晰度

搭載大型傳感器和高像素數的工業相機可以拍攝出非常清晰的圖像。視覺系統的最大分辨率取決于相機傳感器。然而，為了拍攝出這些高分辨率圖像，相機必須配備一個可以優化圖像質量的鏡頭。

視覺系統的有效分辨率受相機鏡頭的限制。這是因為鏡片玻璃的缺陷會降低圖像質量。光線通過鏡頭時都會受到影響，包括光學像差或只是有劃痕或發生內部損壞。鏡頭的價格差異很大，這對可以達到的清晰度水平會產生巨大的影響。通過針對光學元件的一個潛在問題進行調整，或提高制造過程中的清潔度、安排新的缺陷檢查等，每一項額外措施都會增加鏡頭的制造成本。

在工業成像中，相機鏡頭通常根據每毫米線對的清晰度進行分級。通過識別圖表上視覺效果截然不同的最窄線對，可以測量分辨率水平以表示可以通過鏡頭進行成像的細節量。為了更準確地測量圖像清晰度，市場還推出了軟件解決方案來分析特定圖表（例如USAF或星圖）的成像結果。下文圖5顯示了其中一個示例，圖中的一對相機對ISO 12233圖像質量測試圖進行成像。

圖5｜多臺Teledyne Lumenera相機拍攝ISO 12233圖像質量測試圖

相機的曝光時間和增益對清晰度也有較大影響。如果目標是使分辨率最大化，除了選擇適當的鏡頭外，相機的照明和設置也起著重要作用。如需了解更多有關如何正確配置相機的信息，請參閱Teledyne Lumenera的博文《相機配置：曝光時間和增益對圖像噪聲的影響》。

必須考慮特定的視覺應用是否真的需要非常清晰的細節。使用高像素傳感器時，使用高質量鏡頭的優點是可以帶來更好的有效分辨率。即使使用質量較差的鏡頭，也可以使用更大的傳感器來提高圖像的清晰度。如果高分辨率傳感器配備能夠再現細節的鏡頭，則可以進一步提高清晰度。傳感器和鏡頭分辨率/清晰度對于充分利用圖像都很重要。

鏡頭類型

本文介紹了幾種類型的鏡頭，每一種鏡頭都代表一組會產生特定類型圖像的特征。選擇適當的鏡頭類別將為應用提供更好的選擇。本節介紹了各種鏡頭，例如定焦鏡頭與變焦鏡頭、廣角鏡頭、直線鏡頭和魚眼鏡頭、長焦鏡頭、微距鏡頭和移軸鏡頭。圖6中可以看到各種這些鏡頭。

圖6｜一組具有不同廣角和長焦鏡頭組成的定焦和變焦鏡頭

定焦鏡頭和變焦鏡頭

有兩種主要的鏡頭類型，即定焦鏡頭和變焦鏡頭。這兩種鏡頭之間的主要區別在于焦距。定焦鏡頭是固定焦距鏡頭，而變焦鏡頭的焦距范圍可以使用可順時針或逆時針移動的變焦環等機制進行調節。定焦鏡頭和變焦鏡頭之間的比較如下圖7所示。

圖7｜定焦鏡頭（左）和變焦鏡頭（右）

在工業應用中，相機在使用過程中通常會執行重復性任務，并且通常配備定焦鏡頭。但是，對于相機必須對不同距離的物體進行成像的應用，需要安裝變焦鏡頭。

因為定焦鏡頭的組件較少，所以通常是更實惠的選擇。結構簡單可以產生質量更好的圖像，因為變量越少，制造過程中出現問題的可能性就越小。

變焦鏡頭的靈活性更強，因為它們具有許多不同的焦距。為了調節焦距，鏡頭系統通常需要更多的光學元件和移動部件，幫助將鏡頭內的光線聚焦到不同的位置。復雜程度提高會增加相機鏡頭的成本。制造焦距可調的鏡頭系統的流程復雜，可能會導致清晰度降低。因此，如果不需要各種焦距，一般認為定焦鏡頭更可靠，可以提高圖像質量。然而，鏡頭技術不斷改進，定焦鏡頭和變焦鏡頭之間的質量差距不斷縮小。這確保即使對于光學要求嚴格的應用，定焦鏡頭和變焦鏡頭通常都是比較合理的選擇。

廣角鏡頭

廣角鏡頭因鏡頭提供的廣視角而得名。圖8中可以看到一對廣角鏡頭。在這張圖像中，我們可以看到鏡頭表面的彎曲程度遠高于長焦鏡頭。這種夸張的曲率允許更寬角度的光線進入鏡頭并通過鏡頭系統重定向到傳感器。

圖8｜一對廣角鏡頭

對于通常需要自上而下進行拍攝的成像應用，例如智能交通系統（ITS）和航空成像，一般選擇這種類型的鏡頭。圖9左側描繪了對多條車道一次成像的交通視覺系統，右側是用于精準農業對大范圍農作物進行成像的航空成像系統。較短的焦距通常FoV會更寬，例如使用17或28mm鏡頭可以幫助相機一次拍攝更多區域。

圖9｜拍攝智能交通系統（左）和精準農業（右）圖像使用的廣角鏡頭示意圖

使用更寬的FoV面臨的問題是更寬圖像會增加失真。市場上有更精細/更昂貴的光學元件可以糾正廣角鏡頭的失真。使用圖像或視頻編輯軟件還可以調整和補償失真，并且通常可以生成FoV更平坦的圖像。

直線鏡頭和魚眼鏡頭

圖10｜直線鏡頭（左）和魚眼鏡頭（右）

使用廣角鏡頭的優點是FoV增加。但是，發生的桶形失真會影響圖像分析的結果。直線鏡頭可以消除這種桶形失真。即使這些鏡頭仍然會出現部分失真問題，在后期圖像處理中也可以進行簡單校正。如果視角很寬，即使鏡頭搭載可以補償失真的光學元件也不會形成平坦的完美FoV。然而，現代鏡頭技術減輕了這些影響，因此這些問題幾乎可以忽略不計。

與直線鏡頭相反，魚眼鏡頭使用廣角FoV，但無法校正失真。一般而言，在FoV中，魚眼鏡頭能夠形成接近180度的視角，但會導致圖像扭曲，生成圓角圖像。可以通過圖像后期處理來校正這種失真問題。但是，進行校正通常會改變圖像的邊緣。拉伸和收縮后，圖像最終會喪失清晰度，在光學校正圖像情況下通常不會出現這種問題，鏡頭能夠向傳感器提供無失真的圖像。或者可以裁剪圖像去除失真部分，但這會消除使用寬FoV形成的優勢。

長焦鏡頭

圖11｜長焦鏡頭組，說明大小尺寸都可以實現較長的焦距

在相反的光譜中，長焦鏡頭縮小了相機的FoV。使用100或200mm等更長的焦距，相機可以有效聚焦更遠的目標。FoV狹窄并不包括廣角鏡頭中經常出現的失真，但在質量較差的鏡頭或極長焦距處，可能會發生枕形失真，從而向圖像兩側彎曲。在圖12中，可以看到變焦長焦鏡頭完全伸展至長焦定焦鏡頭旁邊。進入廣角鏡頭的光線需要擠壓后才能到達傳感器，而來自長焦鏡頭的光線有一條非常直接的路徑到達傳感器。

圖12｜兩種長焦鏡頭：變焦鏡頭(左)和定焦鏡頭(右)

使用廣角鏡頭的優點是FoV增加。但是，發生的桶形失真會影響圖像分析的結果。直線鏡頭可以消除這種桶形失真。即使這些鏡頭仍然會出現部分失真問題，在后期圖像處理中也可以進行簡單校正。如果視角很寬，即使鏡頭搭載可以補償失真的光學元件也不會形成平坦的完美FoV。然而，現代鏡頭技術減輕了這些影響，因此這些問題幾乎可以忽略不計。

微距鏡頭

圖13｜100mm焦距的微距鏡頭

鏡頭只能靠近目標，否則就無法對焦。微距鏡頭的焦距范圍很大（大約35-200mm，但不僅限于這個范圍），但通常在該范圍的中間位置才會產生最優效果。焦距無需過短，因為如此一來光線也會減少。鏡頭FoV更寬，相機將需要更靠近拍攝對象，從而導致相機可能阻擋陽光并在拍攝對象上投下陰影。如果焦距太長，相機需要放在更遠的距離進行拍攝。試圖聚焦在一個小物體上時，可能會出現問題，并且由于焦距較長，觀察者被迫與自己保持物理距離。在焦距很長的情況下，相機將無法靠近目標，因此最終會降低鏡頭的放大倍率。

捕捉特寫微距圖像的價值來自它能夠提供放大倍率。微距鏡頭可以提供至少1:1的放大倍率，這意味著傳感器捕獲的圖像與目標的實際尺寸成正比。有些微距鏡頭可以將圖像放大到超過標準1:1的比例，但通常鏡頭價格也會飛漲。然而，如果較小目標的成像細節至關重要，則需要更高的放大倍率。

最小焦距是影響微距鏡頭價值的另一個因素。例如，兩個鏡頭可能都能夠拍攝具有相同放大倍率的微距圖像，但通常認為能夠在距離目標更近的距離處對焦的相機更有價值，因為鏡頭的工作距離更靈活。這意味著焦距最小的優質鏡頭會形成更長的景深（DoF）。下文圖14中可以看到這一點，其中黃色區域代表DoF。

圖14｜相機及其最小焦距對比

移軸鏡頭

圖15｜24mm移軸鏡頭

移軸鏡頭允許相機的內部光學元件從光軸上移開。由于存在移位機制，移軸鏡頭可能是最復雜的鏡頭系統之一。在圖16中，上圖表示位于地面的相機正在捕捉建筑物的圖像，但畫幅中并未捕獲到建筑物的完整高度。中間圖表示位于地面的相機的移軸鏡頭向上移動，以在畫幅中捕獲建筑物的全視圖，同時保持相機傳感器與建筑物平行。使用移軸鏡頭的優點是能夠不扭曲垂直線的視角，例如建筑物的結構，從中間圖中可以看到，建筑物沒有任何視角問題。下圖顯示相機向上傾斜，以捕獲畫幅內的整個建筑物。但是，相機角度向上會導致垂直線的角度發生偏移。在對大型結構進行成像或從較低高度進行成像時，這種扭曲可能會引發問題。

圖16｜移軸鏡頭采用的機制能夠正確捕捉建筑物的垂直線

使用移軸鏡頭的另一個優點是能夠在沒有更小光圈的情況下捕捉整個圖像的焦點。傾斜鏡頭可以實現這一點，因此焦點平面不再像通常一樣位于相機前方，而是朝下傾斜，從而拉伸明顯的DoF。或者，鏡頭可以移動光學元件，如此一來，只有一部分圖像能夠保持聚焦。這種部分或選擇性焦點通常最終會使圖像中的目標看上去很小。

如前所述，移軸鏡頭可以修復失真問題。其中包括由于相機傳感器與圖像平面的位置而通常會聚的平行垂直線問題。移軸鏡頭使相機能夠與正在成像的表面保持平行，而無需將相機向上或向下傾斜來捕獲成像對象。圖16中可以看到失真和校正后的垂直線之間的對比情況，中間是校正后的圖像，底部是垂直線失真的圖像。移軸鏡頭本身可以傾斜，使相機固定就位。圖17顯示了移軸鏡頭的輪廓示例。鏡頭底座可以保持在一個位置，而其余部分可以向目標傾斜。

圖17｜移軸鏡頭調節軸偏移