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四步选型法

确定靶面尺寸

先确认相机传感器尺寸。镜头像面直径必须等于或大于传感器对角线——例如 2/3″ 镜头可覆盖 2/3″、1/2″ 与 1/1.8″ 传感器。

计算放大倍率

放大倍率 = 传感器宽度 ÷ 视场宽度。线扫镜头则用水平像素数 × 像元尺寸 ÷ 扫描宽度。

确定工作距离

结合机构可用空间与倍率/工作距离对照表来定,同时核对物像距(O/I)是否满足。

确认接口与机械尺寸

C / M42 / M58 / M72 / M90 / M95 / F——核对法兰后焦,以及与相机、夹具之间是否干涉。

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型号命名规则

线扫——LS 系列

LS2540A-0.24X:LS = 线扫镜头,25 = 焦距 25mm,40 = 光圈 F4.0,0.24X = 中心放大倍率。

定焦与微距——FA / MC 系列

FA1220A:焦距 12mm,1.1″ 靶面。MC5010A:1.1″ 靶面、50mm 微距。末尾字母表示机械版本(A / B / C…);后缀“D”通常代表大光圈或改版型号。

全画幅——LD 系列

LD5028-100MP:LD = 全画幅镜头,焦距 50mm,光圈 F2.8,1 亿像素级(像元 3.1µm)。

参数释义

术语含义
EFL有效焦距
F No光圈系数 / 光圈范围
WD工作距离(物面至镜头前端)
Mag.光学放大倍率
O/I物像距(共轭距)
Image Circle镜头可覆盖的最大靶面
TV Dist.TV 畸变
RI相对照度
Mount接口 C · M42 · M58 · M72 · M90 · M95 · F
资料下载

工程资料

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文件可用任意 PDF 阅读器打开;目录与设备清单保留了可检索的文字层,可直接用 Ctrl+F 搜索型号。

技术文章

机器视觉光学工程笔记

由设计与检测镜头的一线工程师撰写的选型与测量实战笔记,没有需要留资才能看的白皮书。

站外值得一读

以下是我们认为较为可靠的独立参考资料,可用于交叉核对规格与标准:

术语表

光学与机器视觉术语

54 条工程师在提镜头需求时真正会用到的术语——从像差一直到工作距离。

A

像差(Aberration)

实际镜头成像偏离理想成像的各种表现。经典的几种为球差、彗差、像散、场曲、畸变,再加上色差(轴向与垂轴)。工业镜头是把这些像差校正到相互平衡,而不是彻底消除。

光圈 / 光圈系数(Aperture / F-number,F/#)

焦距与入瞳直径之比。每收小一档(F2.8 → F4)进光量减半,但景深增大,MTF 通常也会改善。规格书给出的是可用范围,例如 F2.8–F16。

复消色差(Apochromatic,APO)

校正到三种波长聚焦于同一平面的设计,最大程度消除色边。对彩色检测与白光测量很有意义。

B

后焦距 / 法兰后焦(Back Focal Length,BFL / flange-back)

对无穷远对焦时,从镜头安装法兰面到像面的距离。C 口为 17.526mm;M42、M58、M72、M90、M95 与 F 口各有自己的规定值。一旦不匹配,这支镜头永远无法合焦。

桶形畸变(Barrel Distortion)

正畸变:直线向画面边缘向外弯曲,画面看起来“鼓”出来。

C

C 接口(C-mount)

1″-32 UN 螺纹,法兰后焦 17.526mm。是约 1.1″ 及以下面阵工业相机最常用的接口。

色差(Chromatic Aberration)

焦点或放大倍率随波长发生的偏移。轴向(纵向)色差使各颜色通道在不同深度上变虚;垂轴色差则产生向边缘逐渐加重的色边。

C 口与 CS 口(C-mount vs CS-mount)

CS 口法兰后焦为 12.526mm,短 5mm。加一个 5mm 接圈即可让 C 口镜头用在 CS 口相机上;反过来则做不到。

同轴照明(Coaxial Illumination)

经分光片沿镜头光轴导入的光线,使照明与成像走同一条路径。是晶圆、玻璃、抛光金属等镜面物体的常规打光方式。

镀膜 / 增透膜(Coating,AR / anti-reflection)

把单个表面的反射率从约 4% 降到 1% 以下的薄膜层。镜片数量多的镜头,以及存在强背光或高反光零件的场景,对多层镀膜最为敏感。

主光线角度(Chief Ray Angle,CRA)

主光线入射到传感器表面的角度。传感器微透镜是按特定 CRA 设计的;不匹配会导致四角发暗与偏色——短焦距配大靶面时务必核对这一项。

D

景深(Depth of Field,DOF)

物距在多大范围内仍能保持可接受的清晰度。随光圈系数与工作距离增大而变深,随放大倍率增大而变浅。通常以 2 个像素的弥散圆作为判据。

畸变 / TV 畸变(Distortion / TV Distortion)

实际成像位置相对理想位置的偏差,以像高的百分比表示。0.1% 以下属测量级;0.1–0.5% 用于缺陷检测没有问题;超过 1% 则需要软件校正。

衍射极限(Diffraction Limit)

仅由光圈决定的解像力上限:超过约 1500/F# lp/mm 之后,任何设计都无法再提升。因此光圈收过最佳值之后继续收小,景深虽然增加,锐度反而下降。

E

入瞳 / 出瞳(Entrance / Exit Pupil)

分别从物方(入瞳)和像方(出瞳)看到的等效光阑。它们的位置决定主光线角度的表现,对带微透镜、存在亮度衰减(shading)的传感器尤为关键。

有效焦距(Effective Focal Length,EFL)

对无穷远物体成像时,后主面到像面的距离。它与传感器尺寸共同决定视场大小。

入瞳(Entrance Pupil)

从物方看到的光阑。决定真实光圈系数的是入瞳直径而不是物理光阑直径——所以标称 F/# 相同的两支镜头,实际通光量也可能不同。

F

F 接口(F-mount)

尼康卡口,法兰后焦 46.5mm。用于大靶面相机,以及部分高分辨率线扫与 1 亿像素配置。

视场(Field of View,FOV)

传感器能够成像的物方范围。视场 = 传感器尺寸 ÷ 放大倍率。几乎所有正式询价单都会先给出这个参数。

法兰后焦(Flange-back Distance)

参见后焦距(BFL)。它是决定一支镜头能否在某台相机上真正合焦的机械基准。

G

鬼像与眩光(Ghost & Flare)

镜片表面之间多次反射产生的杂散影像与雾状杂光。表现为低对比度的雾感,或强光源对侧出现的亮斑,通常是阈值分割不稳定的根源。

滤镜螺纹(Filter Thread)

镜筒前端用于旋入滤镜的螺纹。订购带通片或偏振片之前务必确认;工业镜头常用 M27、M30.5、M35.5 等非标规格。

H

超心镜头(Hypercentric Lens)

远心镜头的反向设计:光线从物体之外会聚,一次成像即可拍全圆柱件的外表面。常与 360° 内壁检测光学系统配合,用于内外壁扫描。

I

像面直径(Image Circle)

镜头实际能照亮的光斑直径。它必须等于或大于传感器对角线。1.1″ 镜头可覆盖 1.1″ 及更小的全部靶面。

英寸制命名(Inch-format naming,1/2″、2/3″、1.1″)

源自摄像管的历史尺寸,并非传感器对角线。2/3″ 对角线约 11mm,1.1″ 约 17.6mm。拿不准时一律按实际对角线核算。

光阑(Iris,手动 / 电动)

手动光阑设定一次后锁紧;电动(DFA)光阑与对焦由控制器驱动——当批次之间光照或物体高度会变化时,混线生产需要的正是这种配置。

L

线对/毫米(Line Pair per Millimetre,lp/mm)

空间频率单位,一条暗线加一条亮线。是 MTF 曲线标准的横轴刻度。

线扫镜头(Line Scan Lens)

为只有一行像素的传感器专门校正的镜头。规格以像面直径(2K 为 φ30mm,16K 为 φ82–φ90mm)、倍率区间与工作距离范围来定义。

M

M42 / M58 / M72 / M90 / M95

公制螺纹接口,用于 C 口 17.5mm 法兰后焦或 1″ 螺纹在机械强度上不够的场合,主要是线扫镜头与大靶面镜头。

放大倍率(Magnification,β)

像尺寸 ÷ 物尺寸。β = 传感器宽度 ÷ 视场。0.1X 以下属大视场应用,0.1–1X 进入微距范围,1X 以上属显微。

MTF(调制传递函数,Modulation Transfer Function)

对比度随空间频率的传递能力,取值 0 到 1。这是对比两支镜头最实在的方式——但一定要比边缘值,不能只看中心。

放大倍率(Magnification,β / PMAG)

像尺寸除以物尺寸。0.1X 以下多数机器视觉应用使用定焦镜头;超过这一范围则由微距与远心设计接管,因为畸变与工作距离的变化规律不同。

N

奈奎斯特频率(Nyquist Frequency)

传感器可分辨的最高空间频率:1 /(2 × 像元尺寸)。3.1µm 像元的奈奎斯特极限约 161 lp/mm。买超过这个极限的解像力,就是浪费预算。

O

物像距(O/I,Object-to-Image Distance)

从物面到传感器面的总共轭距离。这是机械设计真正需要的数字——它比工作距离多出镜头长度与后焦。

光学尺寸(Optical Format,英寸标称)

传感器的″英寸是沿用的摄像管直径,并非真实对角线:1″ 传感器对角线约 16mm,2/3″ 约 11mm。选镜头一律按毫米计的真实对角线来算。

P

像元尺寸(Pixel Size)

传感器像素中心间距,单位 µm。像元越小解像力越高,但灵敏度下降,同时对镜头提出的奈奎斯特要求也更高。

主面(Principal Plane)

镜头内部用于测量焦距的理论参考平面。高倍率下做精确共轭计算时必须用到。

枕形畸变(Pincushion Distortion)

负畸变:直线在靠近边缘处向内弯曲。符号与桶形畸变相反,常见于远心设计与长焦距镜头。

像元间距(Pixel Pitch)

传感器像素中心之间的距离,单位 µm。间距越小,对镜头解像力的要求越高;3.45µm 像元要呈现与 6.9µm 像元相同的细节,所需 lp/mm 大致要翻倍。

R

相对照度(Relative Illumination,RI)

边角亮度相对中心亮度的百分比。低于约 60% 就会出现肉眼可见的亮度衰减,必须靠平场校正消除,而这会放大边角噪声。

解像力(Resolution)

能稳定分辨的最小特征。对镜头而言它是受 MTF 约束的特性,不是单一数值——引用时必须同时给出频率与对比度判据。

解像力(Resolution,lp/mm)

在传感器面上能分辨的线对/毫米。这是对比镜头最实在的方式,因为 500 万像素镜头配 500 万像素相机,若只在低对比度下才分辨得出,它依然是短板。

相对照度(Relative Illumination)

边角亮度相对中心亮度的百分比。低于约 60% 时,暗角开始干扰灰度检测;建议索取整条曲线而不是单一数值。

S

靶面(Sensor Format)

成像区域的物理尺寸。机器视觉常见规格:1/2.9″、1/1.8″、2/3″、1″、1.1″、4/3″、全画幅,以及线扫 2K/4K/8K/16K。

亮度衰减(Shading)

由中心向边缘逐渐变暗,源于相对照度限制与 cos⁴ 衰减。通过平场标定校正。

光谱范围(Spectral Range)

镜头校正与镀膜所覆盖的波长区间。常规可见光设计用在 850nm 下会出现焦点漂移;若采用红外照明,请指定近红外校正版本。

T

远心镜头(Telecentric Lens)

入瞳位于无穷远的镜头,放大倍率不随物距变化。可消除测量中的视差误差——代价是体积、重量与价格。分物方远心、像方远心与双远心三种。

薄透镜公式(Thin-Lens Equation)

1/f = 1/u + 1/v,放大倍率 β = v/u。用于设备布局的初算精度足够;最终设计以规格书中的工作距离表为准。

TV 畸变(TV Distortion)

以直线在整个视场内的最大弯曲量来度量的畸变,用像高的百分比表示。工业规格书通常引用这个数值,对同一支镜头它比几何畸变要小。

远心度(Telecentricity)

主光线在整个视场内保持平行的程度。远心镜头在物距变化时放大倍率恒定,这正是它用于测量而非普通检测的原因。

V

暗角(Vignetting)

边角严重变暗,或像面被实际裁切。几乎总是因为镜头像面直径小于传感器——属于选型错误,不是产品缺陷。

W

工作距离(Working Distance,WD)

从镜头前端(或规定基准面)到被测物的距离。规格书给出中心工作距离,以及保证标称 MTF 的距离范围。

波像差(Wavefront Error,RMS)

出射波前相对理想球面的偏差,通常以波长(λ)计。我们的检测中心在 632.8nm 下可测至 RMS ≤ 1/200λ。

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Z

变焦与可变焦距(Zoom vs Varifocal)

真正的变焦镜头在改变焦距时焦点保持不变;可变焦距镜头则不然,必须重新对焦。机器视觉优先选定焦或远心设计,因为可动镜组会损失重复性。

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