一、背景

视觉精度，指的是在机器视觉系统最终的成像中，每个像素的尺寸对应在现实中的尺寸。比如视觉精度1微米，即代表画面中一个像素格对应了现实世界1微米的长度，此时若待测物的实际尺寸为100微米，那就需要100个像素格来显示它。

随着机器视觉行业的高速发展，从业者们对视觉精度的要求越来越高，视觉精度高已经成为了很多测量项目的基础要求。比如机械件加工要求公差为1丝，如果此时的视觉精度达到十微米，因为无法判断到底是视觉方案引起的误差还是零件加工的公差，项目将无法进行，所以提高视觉精度的需求已成主流。

而视觉精度直接和镜头倍率和相机的像元尺寸挂钩，计算方法为视觉精度=相机像元尺寸/镜头倍率，所以想要提高视觉精度，只有缩小像元尺寸或者提升镜头的倍率。提升镜头的倍率就代表着视野和景深的缩小，此时我们如何做到“既要又要”呢？

二、保证精度与视野

首先是保证视野的同时提高精度方向，我们需要更大像面的镜头，来扩大同倍率镜头的视野。尤其是随着线扫相机的大量应用，大像面镜头变得越来越受欢迎。图1展示的就是光虎新推出的大靶面物方远心镜头OTL44-20-110M58T。

图1 OTL44-20-110M58T

该镜头倍率为两倍，由于设计像面直径为44毫米，所以其拥有着22毫米的视野，并且能在F8时全视野达到2.68微米的分辨率。下图为与像面直径11.5毫米的OTL11.5-20-110C的效果对比画面。

图2 OTL11.5-20-110C，视野为5.75毫米，该镜头F数为13，分辨率为4.36微米

图3 OTL44-20-110M58T，视野为22毫米，在F8时可以达到2.68微米的分辨率

图4 照片放大五倍后依然有着很高的清晰度

这就是大像面带来好处，可以在不损失精度和清晰度的情况下放大视野，且这支镜头还有可变光圈和同轴设计，使用起来也更方便。

三、保证精度与景深

同时保持高精度和大视野的方向已经有了思路，那么同时保持高精度和大景深的方向呢？景深一般都与F数和倍率有关，在通常情况下，倍率越大景深越小，F数越大景深越大。从这个角度上讲，我们需要小倍率，大F数来获得大景深。但是小倍率会降低视觉精度，而大F数其实就是小开孔的光圈，这会使光的衍射更加明显，导致分辨率下降。并且小开孔的光圈会让成像的亮度下降，这对于很多追求效率而使用高速快门的机器来讲是无法接受的。

在这里光虎的思路是研发液态镜头，液态镜片可以通过磁场改变镜片的曲率，经过光虎的设计后，让其能改变镜头的工作距，然后通过镜头的可变工作距，赋予镜头在保持高分辨率的同时探索高低落差的能力。

比较常见的使用方法是，通过改变镜头的工作距，在待测物的高低落差上连续拍摄照片，并通过景深融合技术将图片融合在一起，就可以让小景深镜头拥有类似大景深的效果。

图5 OTLY11.5-20-65C物方远心液态镜头，物方分辨率为4.362微米，倍率为2倍，F数为13

光虎的OTLY11.5-20-65C，它本身拥有着0.26毫米的景深，通过液态镜片的调节，工作距离可以还在57~74毫米之间无极电调，并且光虎设法让其实现了全景深全视野全工作距一致的高分辨率、高均匀度、低畸变率和低远心度，这让最终的成像可以准确的融合在一起，没有偏移跑位或者畸变，图片看上去像原生的一样好。

在下图展示的案例中，待测物为机床铣刀的刀头，待测物的落差约为3毫米，远远大于OTLY11.5-20-65C原生的0.26毫米景深，但是因为其17mm的可调工作距，光虎可以在不同工作距上拍摄多张照片，最终进行景深融合，最终得到图10的效果。

图6 二十张不同景深的照片

图7 最远               图8 中间

图9 最近              图10 合成

依靠光虎的反复优化设计，在镜头中不断变化曲率的镜片并没有影响整只镜头的成像效果，所以在需要的时候，液态镜头同样也可以换装小光圈提高景深，将OTLY11.5-20-65C的光圈从F13换到F20，物方分辨率从4.362微米下降到6.71微米，景深从0.26毫米提升到0.4毫米，此时同样的任务仅需九张图即可完成。并且因为分辨率下降较少，景深的提升反而提升了成像的宽容度，使最终融合的效果一样出色。

图11 仅拍摄九张图片，耗时减少一半

图12 大景深版本OTLY11.5-20-65C表现一样优秀

这就是光虎针对更新的市场要求给出的两个新的代表性镜头。光虎一直没有停下提升自己，努力研发的脚步，对于大靶面系列和更多型号的液态镜头探索仍在继续。其他的系列以及改进型号也在推进，比如新出厂的OTL29.7-03-250M42大视野大靶面物方远心镜头，相比于之前相似型号TTL28.5-105-160F，重量从3.3公斤下降到了仅有1.3公斤，长度也缩短了100毫米，这正是光虎努力提升自己光学设计机械设计的结果。而且光虎从来不放弃自己的高标准，一直对标国际一线镜头性能，以后也将为市场带来更多更好用更强大的镜头。

光虎光电科技（天津）有限公司 郑静宇