簡 介

工業(yè)相機(jī)使用的典型鏡頭實(shí)際上是由外殼內(nèi)部的多種光學(xué)鏡片組成的鏡頭系統(tǒng)。根據(jù)不同的技術(shù)，這種類型的相機(jī)鏡頭稱為“復(fù)合鏡頭”。然而，當(dāng)相機(jī)鏡頭配備可安裝各種相機(jī)的安裝環(huán)時，通常俗稱為鏡頭系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)選擇適當(dāng)?shù)南鄼C(jī)鏡頭對于實(shí)現(xiàn)特定的成像效果至關(guān)重要。本文將探討鏡頭的物理屬性、鏡頭類型及其獨(dú)特的光學(xué)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(xué)像差的影響。本文末尾也將討論擴(kuò)展從鏡頭選擇中受益最大的應(yīng)用情況。相機(jī)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(jié)構(gòu)

焦距

為應(yīng)用選擇合適的鏡頭需要仔細(xì)考慮鏡頭焦距問題。有兩種主要類型的相機(jī)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(qū)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(jī)傳感器到相機(jī)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(dá)大量有關(guān)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(nèi)目標(biāo)的放大倍率。如需了解根據(jù)應(yīng)用的工作距離找到完美焦距的數(shù)學(xué)方法，請閱讀白皮書《為視覺系統(tǒng)選擇鏡頭》。

圖2｜測量相機(jī)系統(tǒng)內(nèi)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(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)。

本文將探討各種類型的鏡頭，以幫助相機(jī)用戶更好地了解每種鏡頭類型可以實(shí)現(xiàn)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(huán)

相機(jī)用戶手動調(diào)節(jié)相機(jī)鏡頭的焦距被稱為拉焦。當(dāng)某人需要調(diào)整相機(jī)位置并重新聚焦鏡頭時，通常采用拉焦這種方式。在商業(yè)成像應(yīng)用中，最終用戶傾向于將工業(yè)相機(jī)連接至位置固定的安裝設(shè)備。當(dāng)相機(jī)始終指向同一個目標(biāo)時，定焦鏡頭可以在設(shè)置過程中調(diào)節(jié)焦距，或者使用自動對焦來調(diào)節(jié)焦距，但沒有可以改變焦距的變焦環(huán)。但是，某些需要移動組件的應(yīng)用可能需要相機(jī)在不同焦距處重新聚焦。在相機(jī)移動拍攝的應(yīng)用中，例如機(jī)器人或航空成像，是否能夠用不同焦距的鏡頭進(jìn)行聚焦可能會很重要。

變焦環(huán)

變焦環(huán)可以改變相機(jī)的焦距。增加相機(jī)的焦距后，變焦環(huán)實(shí)際上會縮小FoV。因此拍攝出特寫圖像，但視野內(nèi)的周圍環(huán)境細(xì)節(jié)會減少。圖3對此進(jìn)行了舉例，其中相機(jī)越放大（焦距越長），相機(jī)聚焦的距離越遠(yuǎn)，F(xiàn)oV就越窄。

圖3｜視野隨焦距增加變長變窄

相機(jī)鏡頭內(nèi)的光學(xué)元件數(shù)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?yàn)檫@種鏡頭需要能夠調(diào)節(jié)相機(jī)的焦點(diǎn)。變焦環(huán)增加了相機(jī)的光學(xué)元件，因?yàn)樗肓烁嘈枰{(diào)節(jié)到達(dá)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(jià)格通常也比較實(shí)惠。

鏡頭接口

在選擇鏡頭之前，通常首先考慮相機(jī)或傳感器。針對特定應(yīng)用選擇相機(jī)時，需要根據(jù)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(dú)特的、或?qū)Ｓ械慕涌趤韺㈢R頭固定到相機(jī)上。各種鏡頭接口可以兼容一系列不同尺寸的相機(jī)傳感器。由于大多數(shù)鏡頭接口設(shè)計(jì)只兼容特定尺寸的傳感器，在調(diào)整至新鏡頭時，可能需要使用兼容的相機(jī)，或者采用更實(shí)惠的解決方案—轉(zhuǎn)接環(huán)。轉(zhuǎn)接環(huán)允許相機(jī)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(jī)組合的潛在鏡頭類型和制造商。

整合鏡頭與轉(zhuǎn)接環(huán)時，制造商之前可能已經(jīng)植入的某些專有技術(shù)可能不再兼容。這可能會導(dǎo)致相機(jī)失去部分有用的功能，例如自動對焦或通過相機(jī)調(diào)節(jié)光圈的能力。但是，如果工業(yè)相機(jī)制造商進(jìn)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(nèi)置的自動對焦功能。

但是，最理想的情況是使用與相機(jī)傳感器尺寸相匹配的鏡頭，從而最大限度地提升光學(xué)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(jī)器視覺和工業(yè)應(yīng)用。歸根結(jié)底，給定成像應(yīng)用中使用的鏡頭接口類型將根據(jù)相機(jī)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?cái)?shù)的工業(yè)相機(jī)可以拍攝出非常清晰的圖像。視覺系統(tǒng)的最大分辨率取決于相機(jī)傳感器。然而，為了拍攝出這些高分辨率圖像，相機(jī)必須配備一個可以優(yōu)化圖像質(zhì)量的鏡頭。

視覺系統(tǒng)的有效分辨率受相機(jī)鏡頭的限制。這是因?yàn)殓R片玻璃的缺陷會降低圖像質(zhì)量。光線通過鏡頭時都會受到影響，包括光學(xué)像差或只是有劃痕或發(fā)生內(nèi)部損壞。鏡頭的價(jià)格差異很大，這對可以達(dá)到的清晰度水平會產(chǎn)生巨大的影響。通過針對光學(xué)元件的一個潛在問題進(jìn)行調(diào)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(xiàng)額外措施都會增加鏡頭的制造成本。

在工業(yè)成像中，相機(jī)鏡頭通常根據(jù)每毫米線對的清晰度進(jìn)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(jìn)行成像的細(xì)節(jié)量。為了更準(zhǔn)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(jié)果。下文圖5顯示了其中一個示例，圖中的一對相機(jī)對ISO 12233圖像質(zhì)量測試圖進(jìn)行成像。

圖5｜多臺Teledyne Lumenera相機(jī)拍攝ISO 12233圖像質(zhì)量測試圖

相機(jī)的曝光時間和增益對清晰度也有較大影響。如果目標(biāo)是使分辨率最大化，除了選擇適當(dāng)?shù)溺R頭外，相機(jī)的照明和設(shè)置也起著重要作用。如需了解更多有關(guān)如何正確配置相機(jī)的信息，請參閱Teledyne Lumenera的博文《相機(jī)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(yīng)用是否真的需要非常清晰的細(xì)節(jié)。使用高像素傳感器時，使用高質(zhì)量鏡頭的優(yōu)點(diǎn)是可以帶來更好的有效分辨率。即使使用質(zhì)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(xiàn)細(xì)節(jié)的鏡頭，則可以進(jìn)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(chǎn)生特定類型圖像的特征。選擇適當(dāng)?shù)溺R頭類別將為應(yīng)用提供更好的選擇。本節(jié)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(qū)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(huán)等機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(yè)應(yīng)用中，相機(jī)在使用過程中通常會執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，并且通常配備定焦鏡頭。但是，對于相機(jī)必須對不同距離的物體進(jìn)行成像的應(yīng)用，需要安裝變焦鏡頭。

因?yàn)槎ń圭R頭的組件較少，所以通常是更實(shí)惠的選擇。結(jié)構(gòu)簡單可以產(chǎn)生質(zhì)量更好的圖像，因?yàn)樽兞吭缴?，制造過程中出現(xiàn)問題的可能性就越小。

變焦鏡頭的靈活性更強(qiáng)，因?yàn)樗鼈兙哂性S多不同的焦距。為了調(diào)節(jié)焦距，鏡頭系統(tǒng)通常需要更多的光學(xué)元件和移動部件，幫助將鏡頭內(nèi)的光線聚焦到不同的位置。復(fù)雜程度提高會增加相機(jī)鏡頭的成本。制造焦距可調(diào)的鏡頭系統(tǒng)的流程復(fù)雜，可能會導(dǎo)致清晰度降低。因此，如果不需要各種焦距，一般認(rèn)為定焦鏡頭更可靠，可以提高圖像質(zhì)量。然而，鏡頭技術(shù)不斷改進(jìn)，定焦鏡頭和變焦鏡頭之間的質(zhì)量差距不斷縮小。這確保即使對于光學(xué)要求嚴(yán)格的應(yīng)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(yuǎn)高于長焦鏡頭。這種夸張的曲率允許更寬角度的光線進(jìn)入鏡頭并通過鏡頭系統(tǒng)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(jìn)行拍攝的成像應(yīng)用，例如智能交通系統(tǒng)（ITS）和航空成像，一般選擇這種類型的鏡頭。圖9左側(cè)描繪了對多條車道一次成像的交通視覺系統(tǒng)，右側(cè)是用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對大范圍農(nóng)作物進(jìn)行成像的航空成像系統(tǒng)。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(jī)一次拍攝更多區(qū)域。

圖9｜拍攝智能交通系統(tǒng)（左）和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（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(xì)/更昂貴的光學(xué)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(diào)整和補(bǔ)償失真，并且通?？梢陨蒄oV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(yōu)點(diǎn)是FoV增加。但是，發(fā)生的桶形失真會影響圖像分析的結(jié)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(xiàn)部分失真問題，在后期圖像處理中也可以進(jìn)行簡單校正。如果視角很寬，即使鏡頭搭載可以補(bǔ)償失真的光學(xué)元件也不會形成平坦的完美FoV。然而，現(xiàn)代鏡頭技術(shù)減輕了這些影響，因此這些問題幾乎可以忽略不計(jì)。

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(dǎo)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(jìn)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(xué)校正圖像情況下通常不會出現(xiàn)這種問題，鏡頭能夠向傳感器提供無失真的圖像?；蛘呖梢圆眉魣D像去除失真部分，但這會消除使用寬FoV形成的優(yōu)勢。

長焦鏡頭

圖11｜長焦鏡頭組，說明大小尺寸都可以實(shí)現(xiàn)較長的焦距

在相反的光譜中，長焦鏡頭縮小了相機(jī)的FoV。使用100或200mm等更長的焦距，相機(jī)可以有效聚焦更遠(yuǎn)的目標(biāo)。FoV狹窄并不包括廣角鏡頭中經(jīng)常出現(xiàn)的失真，但在質(zhì)量較差的鏡頭或極長焦距處，可能會發(fā)生枕形失真，從而向圖像兩側(cè)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(jìn)入廣角鏡頭的光線需要擠壓后才能到達(dá)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(dá)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(yōu)點(diǎn)是FoV增加。但是，發(fā)生的桶形失真會影響圖像分析的結(jié)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(xiàn)部分失真問題，在后期圖像處理中也可以進(jìn)行簡單校正。如果視角很寬，即使鏡頭搭載可以補(bǔ)償失真的光學(xué)元件也不會形成平坦的完美FoV。然而，現(xiàn)代鏡頭技術(shù)減輕了這些影響，因此這些問題幾乎可以忽略不計(jì)。

微距鏡頭

圖13｜100mm焦距的微距鏡頭

鏡頭只能靠近目標(biāo)，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(chǎn)生最優(yōu)效果。焦距無需過短，因?yàn)槿绱艘粊砉饩€也會減少。鏡頭FoV更寬，相機(jī)將需要更靠近拍攝對象，從而導(dǎo)致相機(jī)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(jī)需要放在更遠(yuǎn)的距離進(jìn)行拍攝。試圖聚焦在一個小物體上時，可能會出現(xiàn)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(jī)將無法靠近目標(biāo)，因此最終會降低鏡頭的放大倍率。

捕捉特寫微距圖像的價(jià)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(biāo)的實(shí)際尺寸成正比。有些微距鏡頭可以將圖像放大到超過標(biāo)準(zhǔn)1:1的比例，但通常鏡頭價(jià)格也會飛漲。然而，如果較小目標(biāo)的成像細(xì)節(jié)至關(guān)重要，則需要更高的放大倍率。

最小焦距是影響微距鏡頭價(jià)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(rèn)為能夠在距離目標(biāo)更近的距離處對焦的相機(jī)更有價(jià)值，因?yàn)殓R頭的工作距離更靈活。這意味著焦距最小的優(yōu)質(zhì)鏡頭會形成更長的景深（DoF）。下文圖14中可以看到這一點(diǎn)，其中黃色區(qū)域代表DoF。

圖14｜相機(jī)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(jī)的內(nèi)部光學(xué)元件從光軸上移開。由于存在移位機(jī)制，移軸鏡頭可能是最復(fù)雜的鏡頭系統(tǒng)之一。在圖16中，上圖表示位于地面的相機(jī)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(jī)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(jī)傳感器與建筑物平行。使用移軸鏡頭的優(yōu)點(diǎn)是能夠不扭曲垂直線的視角，例如建筑物的結(jié)構(gòu)，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(jī)向上傾斜，以捕獲畫幅內(nèi)的整個建筑物。但是，相機(jī)角度向上會導(dǎo)致垂直線的角度發(fā)生偏移。在對大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像或從較低高度進(jìn)行成像時，這種扭曲可能會引發(fā)問題。

圖16｜移軸鏡頭采用的機(jī)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(yōu)點(diǎn)是能夠在沒有更小光圈的情況下捕捉整個圖像的焦點(diǎn)。傾斜鏡頭可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因此焦點(diǎn)平面不再像通常一樣位于相機(jī)前方，而是朝下傾斜，從而拉伸明顯的DoF?；蛘?，鏡頭可以移動光學(xué)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(diǎn)通常最終會使圖像中的目標(biāo)看上去很小。

如前所述，移軸鏡頭可以修復(fù)失真問題。其中包括由于相機(jī)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(jī)能夠與正在成像的表面保持平行，而無需將相機(jī)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(jī)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(biāo)傾斜。

圖17｜移軸鏡頭調(diào)節(jié)軸偏移