成像鏡頭選型指南

在本文的前五個章節中，對成像鏡頭的原理從淺至深的一步一步說明。從了解視場角 (AFOV) 和分辨率的基本知識調制轉換函數(MTF)和MTF曲線n 和哪些參數會影響鏡頭性能，已經闡明了鏡頭的基礎原理。這一章主要將之前面討論的所有內容匯集在一起，讓您充滿信心對任何給定的機器視覺應用挑選出合適的成像鏡頭。

成像鏡頭是複雜、細微的元件，因此關於鏡頭選型不全於鏡頭的性能決定通常還有其他權衡的因素考慮在裡面並不是一個直截了當的過程。鏡頭規格表（或性能表）因製造商而有差異，這可能會使規格比較變成是一項困難的工作。甚至在解決鏡頭規格之前，需要考慮哪種類型的鏡頭最適合該應用。定焦鏡頭是最好的選擇嗎？還是變焦鏡頭？或是遠心鏡頭？

鏡頭選型指南分為三個不同的討論。第6.1節：問題討論 : 我的應用需要選哪種鏡頭？就本文而言，鏡頭將被分為以下兩種：可變放大倍率鏡頭或固定放大倍率鏡頭。它說明了這些不同種類的鏡頭以及它們的使用條件。然後，第6.2節說明如果已經選擇了相機，如何作正確的鏡頭選型，這種狀況通常是許多人遇到應用時的鏡頭選型問題。它主要討論是在選定的視場（FOV）找出匹配鏡頭對應正確工作距離（WD）。最後一部分，第6.3節，說明如何與找出和相機匹配的鏡頭，這一點很重要因為需要在成本和性能方面對應用條件下進行適當優化。它討論了像素映射和對比度重現條件。

在跳至本節之前請閱讀（或事先了解）先前的內容，請先閱讀本文先前的五個章節，接下來的討論將不再說明鏡頭的成像原理概念。所以了解前面第6.3章節內容很重要。請參見根據分辨率選擇鏡頭.

可變放大倍率鏡頭的種類

固定焦距鏡頭

固定焦距鏡頭有許多不同的名稱：定焦鏡頭（在攝影或電影攝影中很常見），FA鏡頭 (其中FA通常代表工廠自動化), 或簡稱為機器視覺鏡頭。它們是機器中最常見的鏡頭類型; 一個常見的用法，如果用一個焦距長度來描述一隻鏡頭 (例如 25mm 焦距)通常是固定焦距鏡頭。如了解焦距和視野中所述 )，固定焦距鏡頭具有固定的AFOV。這些鏡頭仍然可以聚焦在不同的WD上，這通常是通過機構件將所有整群鏡片一起移動聚焦，但鏡片之間的間距不變。

圖 1 顯示了一個75mm定焦鏡頭聚焦在兩個不同距離的光路圖。鏡頭中每個鏡片之間的距離在聚焦時不會改變，像面的距離(平面和最後一片鏡片)變化很大。上面鏡頭聚焦在光學無限遠處，而下面鏡頭聚焦在WD 200毫米處

重要的是要記住，真正的定焦鏡頭都是像 圖 1, 裡面提到聚焦方式，但是有些鏡頭會使用浮動鏡片方式聚焦，那種設計是改變鏡片間的相對距離作調焦。間距的變化確實會輕微改變整隻鏡頭的焦距，但這邊我們還是把它歸為定焦鏡頭。

A 75mm double gauss-type fixed focal length lens focused at two different WDs. Note that the spacing between each element did not change as WD shifts.

圖 1: 75mm雙高斯固定焦距鏡頭，可以在兩個不同工作距離處聚集。請注意，各鏡片間距不會隨著工作距離的變化而改變。

大多數機器視覺應用情況下使用定焦鏡頭充滿靈活性和很好的成像表現。在大多數情況下，一般零件檢查，條碼讀取，生物識別和文件掃描，牌照讀取以及其他類型光學文字識別（OCR）或光學文字驗證（OCV）都最適合定焦鏡頭使用。定焦鏡頭的AFOV可視為和鏡頭焦距和傳感器尺寸相互匹後的結果。如果鏡頭的焦距縮短，其AFOV呈現線性形式的增加。因此，25mm焦距鏡頭的AFOV會是兩倍於50mm焦距鏡頭的視場。因為這些鏡頭可以聚焦在不同的距離上，並且具有不同的放大倍率，所以本文中把它們被歸類為可變放大倍率鏡頭。

變焦鏡頭

定焦鏡頭設計為具有固定的AFOV，變焦鏡頭特性為其焦距改變，因此它們的AFOV也會在固定工作距離下產生變化。變焦鏡頭非常適合使用過程中有最大靈活性，不需要高分辨率; 在應用的過程中，除非FOV需要一直改變取像，要不然它通常不是最佳選擇。 另外變焦鏡頭使用當改變FOV時，需要步進馬達快速精確的調整焦距。

變焦鏡頭有個變倍比的規格，可以把鏡頭給定的最長焦距值除以最小焦距值來得出。例如，如果變焦鏡頭焦距為8mm到48mm，可以算出是6倍變焦鏡頭（48mm / 8mm =6倍）。這也可以表示為變倍比：對於上述鏡頭這將是6：1的縮放比例。

圖 2 顯示了將相同的變焦鏡頭設定成兩個不同的焦距狀態。請注意，鏡片間的相對距離和鏡片到像平面的距離改變，但是WD並沒有改變。這些複雜精密的鏡片移動會增加機械結構上的成本需要同時改變鏡頭的焦距並保持聚焦。另外，變焦鏡頭的分辨率無法達到對等價格的定焦鏡頭水平，因為複雜的機械結構與光學鏡片同時負責多工的功能在鏡頭而不針對單一應用場合優化設計。