成像镜头选择指南

成像镜头是成像系统中一个复杂而微妙的组成部分。在选择镜头时做出决定，以及在这些决定产生的直接结果中进行取舍并不总是那么简单。镜头规格表因制造商而异，这使得比较成为一项艰巨的任务。问题通常没有那么复杂，不过，即使是确定特定应用所需的镜头类型，可能也足够棘手。定焦镜头是最佳选择吗？变焦镜头呢？或者是远心镜头？本部分将为您说明不同类型镜头的差异以及如何为特定应用选择所需的镜头。

第 7.4.1部分：可变放大倍率镜头

固定焦距镜头

如了解焦距与视场所述, 固定焦距镜头具有固定的视场角。但这种镜头仍然可以在不同工作距离处对焦，最常见的做法是同时移动所有镜头元件，以保证各镜片间距不变。在大多数机器视觉应用中，应采用固定焦距镜头，因为这种镜头使用灵活，而且具有优异的性能。固定焦距镜头也被称为“定焦镜头”（摄影术语）。

图 1 显示，固定焦距镜头的焦距为 75mm，可以在两个不同距离处对焦。虽然当镜头在对焦时各元件间距不变，但成像平面和最后一个镜头元件之间的距离会发生极大变化。顶部镜头在光学无穷远处对焦，而底部镜头则在200mm处对焦（工作距离为200mm）。

图 1: 双高斯型 75mm 固定焦距镜头，可以在两个不同工作距离处聚集。注意，各元件间距不会随着工作距离的变化而变化。

需牢记的是，真正的固定焦距镜头始终具有如 图 1, 所示的性能，但现存的一些镜头为“浮动元件焦距”，其元件间距会因为焦距而发生变化。元件间距变化就意味着系统焦距变化，即使这种变化通常不足以导致镜头分类发生变化。

变焦镜头

固定焦距镜头设计成具有固定视场角度，变焦镜头则设计为可改变焦距，从而改变视场。变焦镜头特别适合使用过程中需要最大限度的灵活性，但不需要高分辨率的应用；除非需要在成像时主动改变视场，否则它可能不是最好的选择。在这种情况下，需要步进电机以便快速准确地改变焦距。

变焦镜头被指定为具有特定的变焦比（可通过将任意给定镜头的最长焦距选项除以最小焦距确定）。例如，如果变焦镜头的焦距在 8mm 和 48mm 之间变化，则称为 6X 变焦镜头 (48mm/8mm = 6X)。也可以用比率表示：对于上述镜头，它将是 6:1 变焦比。

图 2 显示了设置为两个不同焦距的相同变焦镜头。请注意，尽管工作距离没有发生变化，但相对元素间距和到图像平面的距离都发生了变化。这些复杂的机械结构增加了镜头系统的成本，因为需要精确的移动来同时改变镜头的焦距并保持对焦。此外，变焦镜头的分辨率不可能像同等价位的固定焦距镜头那样高，因为复杂的机械和光学元件需要执行多项任务。变焦镜头不仅试图在单一焦距下获得最佳性能，而且需要在较宽的焦距范围内发挥作用，因此会降低整体性能。

Figure 2: A zoom lens at multiple optical magnifications.

图 2: 一种具有多种光学放大倍数的变焦镜头.

其他有趣的光学特性可能是变焦镜头复杂运动的直接结果，比如根据镜头的设计，f/# 可以随着焦距的变化而变化。摄影或摄像镜头通常避免这种类型的设计，但机器视觉镜头往往不是这样。同样重要的是，从 f/# (镜头虹膜/光圈设置) 中我们知道，工作 f/# 仍会随着放大倍率的变化而变化，从而导致不同程度的曝光。

根据定义，变焦镜头在改变视场时仍会保持对焦。如果一个镜头会随焦距变化而散焦，它更准确的叫法是可变焦距镜头，而不是变焦镜头。

微距镜头

微距镜头可以看作是固定焦距镜头的一个子集，其放大率在 1X 左右（传感器与物体大小相同）或稍大一点，工作距离相对较小。由于放大倍率较高，微距镜头的 f/# 值通常比镜筒上的数字大两倍。有关工作 f/# 的信息，请参阅 f/# (镜头虹膜/光圈设置) . 通常情况下，可以通过使用隔圈(参见镜头隔圈、垫片和焦距扩展器)将典型的固定焦距镜头转换成微距镜头，或者通过反转它们使它们向后成像。图 3 显示了一个微距配置的镜头和生成的图像。

Figure 3: A 50mm fixed focal length lens paired with approximately 70mm extension length, yielding a 1.25X magnification at a 33mm working distance.

图 3: 一个 50mm 的固定焦距镜头搭配约 70mm 的延长管，在 33mm 的工作距离下产生 1.25 倍的放大倍率。

第 7.4.2 部分: 固定放大倍率镜头

远心镜头

需要进行高精度测量时，应始终采用远心镜头。这种镜头专业性强，放大倍率固定，具有多种强大的光学性能。远心镜头工作原理和优点详见远心度与视角误差.

人们通常认为选择远心镜头要比选择固定焦距镜头更困难，虽然事实上可能并非如此。有关选择远心镜头和固定放大倍率镜头的详细信息，请参见如何选择固定放大倍率镜头.

显微物镜

显微物镜是用来成像非常小的物体，通常放大倍率远大于 1 倍。它们是固定放大倍率的光学元件，只能在某一工作距离内正常工作，与其他成像镜头相比，这个距离通常很小。显微物镜适用于需要高放大倍率成像，并且对最小工作距离没有严格限制的情况。

物镜的镜筒上标明了各种数据，用以描述物镜的某些光学特性，从而为使用者提供最佳用途的线索。图 4 显示了一个 20X 光学放大倍率远场校正（无限共轭）显微镜物镜的图像，该物镜设计用于 0mm 盖玻片厚度和 200mm 焦距管透镜，是对焦所必需的元件。物镜的数值孔径为 0.42（有关数值孔径的更多信息，请参见f/# (镜头虹膜/光圈设置)). 有关显微物镜的更多详细信息，请参阅使用远场校正物镜部分.