一、工业镜头——机器视觉之眼

人类识别外界事物的信息主要通过人眼获得，而机器视觉则是用机器代替人眼，获取目标信息。如果将机器视觉系统与人类视觉系统进行类比，那么相机的传感器芯片就如同人的视网膜，而镜头则相当于眼睛内的晶状体。各种现实世界中的图像都通过工业镜头这个“晶状体”对光线进行变换（汇聚）后，投射在“视网膜”上。相机的传感器芯片，就如同人类的视网膜，负责捕捉光信号；而镜头，恰似人眼内的晶状体，承担着对光线的调节工作。在现实世界里，所有图像都要先经由工业镜头这个 “晶状体” 对光线进行变换、汇聚，然后才投射到“视网膜”——传感器芯片上。

表1 机器视觉和人类视觉的差异

工业镜头是工业领域中各类专业光学镜头的统称，包括FA镜头、远心镜头、变倍镜头、多视野镜头等。其主要作用是通过光束变换，将被测物体的清晰图像成像在相机的感光芯片上，为后续信息处理和分析提供基础，是机器视觉系统正常运行的关键环节。

凭借精密的光学设计，工业镜头具有超小画面畸变、超高解像力和超大靶面等特性，能够满足各种复杂环境下的视觉需求。它不仅能应对超大视场角和超高精度的检测挑战，还能适应超短焦距、移轴操作以及不同波长的光线。这些优势使工业镜头在制造业的各个环节，包括传统生产线的高端设备和新兴的人工智能产品，特别是在汽车、电子制造、半导体等行业，发挥着至关重要的作用。

二、工业镜头和普通镜头有什么不同？

工业镜头与普通镜头在设计理念、清晰度、畸变、光圈、结构和接口等方面存在显著差异。普通镜头，即民用镜头分类很多，运用也更加广泛。

1.设计理念不同

工业镜头多是根据检测要求的不同进行专门配置，在设计中会更加有针对性。同时，由于镜头的功能被限定，设计中可以放松对其他功能的设计要求。比如工业中的远心镜头，为了达到高远心度，往往能够容忍图像的亮度不足，转而使用打光方案去弥补这个短板。

民用镜头虽然有专业化趋势，但是通常不会极端地去优化某一方面，而愿意放弃另一方面。

2.清晰度不同

镜头的共同点都是中间成像清晰，边缘分辨率则逐渐变低。

工业镜头经常使用在机器视觉检测之中，对于图像整体分辨率要求高，在选型中经常考察的就是边缘的清晰度。工业镜头通常具有较高的分辨率，能够清晰地呈现物体的细节，对图像的清晰度要求很高，一般以“线/毫米”（lp/mm）为单位衡量，一些高端的工业镜头分辨率可以达到数百万甚至更高的像素级别。例如在半导体制造中，需要高分辨率的工业镜头来检测芯片上的微小缺陷。

普通镜头分辨率也在不断提高，但相比工业镜头，在同等条件下其分辨率可能会稍低一些，能够满足一般的摄影、摄像需求即可。

3.畸变要求不同

普通的民用镜头的成像畸变/失真的设计容忍范围一般在2-3%，这一值是刚好在人眼所能察觉的极限之下，不影响观感。对畸变的控制非常严格，要求尽可能地减少图像的变形，以保证获取的图像信息准确无误。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。而工业镜头的图像处理在计算机中进行，2-3%的畸变率足以导致计算机错误判断。因此工业镜头的畸变往往低于1%。

普通镜头在一定程度上允许存在一些畸变，比如广角镜头可能会产生桶形畸变，长焦镜头可能会产生枕形畸变，但在一些艺术创作中，摄影师可能会利用这些畸变来营造特殊的视觉效果。

4.光圈

工业镜头光圈的稳定性和准确性要求较高，有些工业镜头还具有自动光圈调节功能，能够根据环境光线的变化自动调整光圈大小，以保证图像的亮度和清晰度。

普通镜头光圈的调整更多地是为了满足摄影者对光线和景深的控制需求，手动光圈调整较为常见，当然现在很多普通相机镜头也具备自动光圈功能。

5.结构和材质

工业镜头结构通常比较坚固，采用高质量的金属或合金材料制造，能够承受较为恶劣的工作环境，如高温、高湿度、振动等。并且为了保证光学性能的稳定性，工业镜头的内部结构设计更加精密，镜片的安装和固定也更加牢固。

普通镜头出于成本和便携性的考虑，普通镜头的材质可能会采用一些塑料或复合材料，重量相对较轻，结构也相对简单。

6.接口类型

工业镜头常见的接口类型有 C 接口、CS 接口等，这些接口具有较高的稳定性和精度，能够确保镜头与相机或其他设备的准确连接和信号传输。

普通镜头一般采用相机厂商自己的专用接口，如佳能的 EF 接口、尼康的 F 接口等，不同厂商的接口之间不兼容。

表2 工业镜头与普通镜头的差异

三、工业镜头的分类与特点

1.FA镜头（Fixed Aperture Lens）

核心特点：FA镜头采用固定光圈设计，结构简洁，制造成本较低，具备较高的性价比。其光学性能稳定，适用于光照条件一致的场景。

应用场景：主要应用于对成像质量要求相对宽松的工业场景，如基础尺寸测量、物体定位及简单分类等。

应用领域：作为基础型产品，FA镜头在低成本自动化领域仍具有稳定的市场需求，但随着行业对检测精度要求的提升，其市场份额可能逐渐被更高性能的镜头替代。

图1 慕藤光2000万分辨率FA镜头 

2.远心镜头（Telecentric Lens）

普通镜头与人眼一样，观测物体时都存在“近大远小”的现象，也就是说，虽然物体在景深范围内可以清晰成像，但是其成像却随着物距增大而缩小。如果被测目标不在同一物面上（如有厚度的物体），则会导致图像中的物体变形。另一方面，相机传感器的感光面通常并不容易被精确调整到与镜头的像平面重合（调焦不准），由此也会产生误差。为此，人们设计了远心镜头。

相对于普通镜头，远心镜头（telecentric lens）有较大的景深，且可以保证景深范围内任何物距都有一致的图像放大率，如下图所示：

图2 普通镜头与远心的差异

多数机器视觉在测量、缺陷检测或者定位等应用上，对物体成像的放大倍率没有严格要求，一般只要选用畸变较小的镜头，就可以满足要求。但是，当机器视觉系统需要检测三维目标（或检测目标不完全在同一物面上）时，就需要使用远心镜头。例如要检测厚度大于视场直径的1/10的物体，或需要检测带孔径、三维的物体等。一般来说，如果被测目标物面变化范围大于视场直径的1/10时，就需要考虑使用远心镜头。

图3 使用慕藤光远心镜头检测时无视角误差/畸变

远心镜头主要面向高端制造业，尤其是在半导体、电子元件及精密加工行业中需求旺盛，属于高附加值产品。随着精密制造业及半导体行业的快速发展，远心镜头的需求将持续增长，尤其是在高精度测量和检测领域。

图4 慕藤光高分辨率远心镜头HR-110系列

3.变倍镜头（Zoom Lens）

核心特点：变倍镜头具备焦距可调功能，能够灵活调整放大倍数及视野范围，有手动变倍和自动变倍（电动变倍）两类，适应多种工作距离和检测需求。其多功能性使其在复杂场景中表现出色。

应用场景：适用于需要动态调整视野的工业场景，如复杂装配线检测、多目标监控及自动化光学检测（AOI）等。

市场定位：变倍镜头在中高端市场占据重要地位，尤其在对灵活性和适应性要求较高的行业中具有广泛的应用前景。由于其灵活性和适应性，变倍镜头在复杂工业场景中的应用前景广阔，预计未来市场渗透率将进一步提升。

图5 慕藤光导轨自动变倍镜头

4.液态镜头（Liquid Lens）

与光学透镜镜头有所不同，液体镜头是一种使用一种或多种液体制成的无机械连接的光学透镜，可以通过外部控制改变光学元件的内部参数，有着传统光学透镜无法比拟的性能。简单来说就是透镜的介质由玻璃变为液体。通过外部控制手段（如电润湿效应、压力调节或电场作用）来改变液体曲率或折射率，从而实现光路动态调节的先进光学元件。

· 技术原理

液态镜头的核心原理是通过外部控制（如电润湿效应、压力调节或电场作用）改变液体的曲率或折射率，从而实现对光路的动态调节。主要技术路径包括：电润湿效应：通过施加电压改变液体与固体表面的接触角，从而调节液体的曲率。

压力调节：通过机械或气压方式改变液体形状，实现焦距变化。

电场驱动：利用电场改变液晶分子的排列，调节折射率。

· 核心优势

快速响应：毫秒级调节速度，远超传统机械镜头。

小型化：结构紧凑，适合集成于微型设备。

低功耗：驱动电压低，能耗小。

无机械磨损：无机械运动部件，寿命长，可靠性高。

图6 慕藤光液态镜头

5.显微镜头（Microscope Lens）

核心特点：显微镜头具备高放大倍数和高分辨率特性，能够清晰呈现微观物体的细节信息。其设计专注于微小目标的观察与分析，通常与显微镜系统配套使用。

应用场景：主要应用于微观检测领域，如生物医学样本观察、材料表面缺陷分析、微电子元件检测等。

市场定位：显微镜头属于高精密光学器件，主要面向科研机构、生物医药及高端制造业，市场需求稳定且附加值较高。在生物医药、材料科学及微电子行业的推动下，显微镜头市场将保持稳定增长，尤其是在高分辨率成像领域。

图7 慕藤光大视场显微物镜

四、工业镜头的主要参数

1.焦距(Focal Length)

焦距是从镜头的中心点到焦平面上所形成的清晰影像之间的距离，焦距的大小决定着视角的大小。焦距数值小，视角大，所观察的范围也大；焦距数值大，视角小，观察范围小。根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。

在已知相机CCD尺寸、工作距离和视野的情况下，可以计算出所需镜头的焦距f。

焦距f=（镜头到物体的距离*相机感光芯片尺寸）/视野

2.视场角（Field of View）

视场角(Field of View, FOV)就是整个系统能够观察的物体的尺寸范围，进一步可以分为水平视场和垂直视场，也就是芯片上能够成像对应的实际物体大小，定义为FOV=L/m，其中，L是芯片的高或者宽，m是放大率，定义为m=v/u,v是相距，u是物距，FOV即是相应方向的物体大小。

图8 视场角示意图

由于机器视觉成像系统中的传感器多制作成长方形或正方形，因此镜头的最大像面常用它可以支持的最大传感器尺寸（单位为英寸，1英寸约为2.54cm）来表示。相应地，镜头的视场也可以用最大像面所对应的横向和纵向观测距离或视场角来表示，如图所示。

图9 机器视觉中镜头的视场和最大像面

3.光圈（Aperture）

光圈（Aperture）是机械装置，是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光量的装置，它通常在镜头内，通过控制镜头光孔的大小来达到这一作用。当外界光线较弱时，就将光圈调大；反之，就将光圈调小。光圈大小用镜头焦距f和数字孔径D的比值来衡量，用f值表示。完整的光圈值由小到大依次为：f/1、f/1.4、f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16、f/22、f/32、f/44和f/64。

图10 光圈示意图

光圈f值愈小，光圈开得越大，在同一单位时间内的进光量便越多，而且上一级的进光量刚好是下一级的一倍，例如光圈从f/8调整到f/5.6，进光量便多一倍，也可以说光圈开大了一级。

4.数值孔径（Numerical Aperture, NA）

数值孔径是一个用于描述光学系统或波导的重要参数，反映了设备对入射光的接收能力。在光学领域，数值孔径描述了透镜收光锥角的大小，决定了透镜的收光能力和空间分辨率，其计算公式为:

数值孔径是被检物体与物镜间介质的折射率与物镜孔径角的一半的正弦值的乘积，其中，n 是介质的折射率，α是半角。

5.景深（Depth of field）

景深（Depth of field, DOF）是指在摄影机镜头前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围如图2-12所示。在聚焦完成后，在焦点前后的范围内都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围，称为景深。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。光圈越大，景深越小；光圈越小、景深越大。焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。距离拍摄体越近时，景深越小；距离拍摄体越远时，景深越大。

图11 景深示意图

在检测目标的高度在一定范围内可能变化下，选择合适的景深，对于机器视觉系统的稳定性尤为重要。例如，在对生产线上的电路板进行检测时，传送带振动引起电路板位置在垂直方向上的变化会使图像离焦而变得模糊，如下图（a），从而丢失关键特征信息，引起检测的漏判误判。而如果适当增大景深，就可以将振动带来的距离变化控制在景深范围内，使目标仍能清晰成像，如下图（b），这就极大地增强了系统的适应性。

图12 不同景深情况下传送带上的目标图像

6.分辨率(Resolution)

分辨率描述的是图像采集系统能够分辨的最小物体的距离，通常用黑白相间的线来标定镜头的分辨率，即像面处镜头在单位毫米内能够分辨的黑白相间的条纹对数，即每毫米多少线对，大小为1/2d，单位是“线对/毫米”(lp/mm)。分辨率越高的镜头成像越清晰。镜头的分辨率要与相机的分辨率匹配，大于或等于相机的分辨率。

图13 分辨率示意图

7.畸变（Distortion）

一条直线经过镜头拍摄后，变成弯曲的现象，称为畸变像差。理想成像中，物像应该是完全相似的，也就是成像没有带来局部变形，如图1-a所示。但是实际成像中，往往有所变形，如图2-b和图3-c所示，向内弯的是桶状变形（Barrel），向对角线方向往外弯的是枕状变形（Pincushion）。畸变的产生源于镜头的光学结构、成像特性使然。畸变可以看作是像面上不同局部的放大率不一致引起的，是一种放大率像差。

图14图像畸变类型

8.靶面（Sensor Size）

靶面指物体经过镜头成像，在感光芯片上最大的尺寸，常见的有1.2英寸、1英寸、2/3英寸、1/1.8英寸等等。

鉴于镜头能清楚成像的范围受到最大像面的限制，因此在为相机选配镜头时，要特别注意相机传感器与镜头可支持最大传感器之间的关系。一般来说，必须确保所选镜头可支持的最大传感器尺寸大于或等于相机的传感器尺寸。这样做的另一个主要原因是为了避免渐晕（Vignetting）现象的发生。如下图（c）所示，如果相机传感器的尺寸大于镜头可支持的最大传感器尺寸时，所生成的图像就会形成类似隧道的效果，该现象称为渐晕现象。渐晕现象会增加机器视觉系统的开发难度，因此应尽量避免。图的（a） 、 （b）分别显示了在镜头可支持的最大传感器尺寸等于或大于相机的传感器尺寸时视觉系统的成像情况，这两种情况下机器视觉系统均能正常工作。

图15 镜头大小与相机传感器尺寸不同时的成像情况

五、工业镜头如何选型？

在机器视觉系统中，镜头常和相机作为一个整体出现，它的质量和技术指标直接影响成像子系统的性能，合理地选择和安装镜头是决定机器视觉成像子系统成败的关键。

工业镜头的针对性很高，在选型前首先需要想好的是自己的检测要求是什么，主要目的是什么。其次就是检测的场景有没有限制，比如说场地比较小要尽量压缩工作距离，需要做转角镜头等等 。

图16 镜头光学性能的相关参数

镜头的基本光学性能由焦距、数值孔径（光圈系数）和视场角（视野）这三个参数表征。因此，在选择镜头时，首先需要确定这三个参数，最主要是先确定焦距，然后再考虑分辨率、景深、畸变、接口等其他因素。

图17 机器视觉成像系统中的相关参数

镜头与相机之间的物理接口必须匹配才能安装在一起搭配使用。常见的接口标准有C接口（C-mount） 、CS接口（CS-mount）和F接口（F-mount） 。在机器视觉领域，目前C和CS接口的镜头及相机占主导地位，它们的唯一区别是背焦距不同，如下图所示。F接口常用于高像素数的线扫描相机（2048像素以上） ，获取比C和CS接口镜头更大的图像。

图17 C与CS接口

选择镜头的基本步骤可以参考以下几条：

1) 根据目标尺寸和测量精度，可以确定相机靶面和像素尺寸、放大倍率等。

2) 根据系统整体尺寸和工作距离，结合放大倍率，可以大概估算出镜头的焦距。焦距、传感器尺寸确定以后，视场角也可以确定下来。

3) 根据现场的照明条件确定光圈大小和工作波长。在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中，应该选用大光圈镜头，以提高图像亮度。

4) 镜头的分辨率要与相机的分辨率匹配，大于或等于相机的分辨率。

5) 镜头可支持的最大CCD尺寸应大于或等于选配相机CCD芯片尺寸。

6) 最后考虑镜头畸变、景深、接口等其他要求。

图18 选择镜头的基本步骤

随着工业4.0和智能制造的发展，工业镜头技术不断进步。未来，结合人工智能和深度学习，工业镜头的应用场景将更广泛，精度和智能化水平也将提升。在传统制造业和新兴的半导体、电子元件、生物医药等领域，工业镜头将继续发挥重要作用，助力高效、精准生产与检测。

在选择工业镜头时，需根据检测需求、工作环境和技术指标，综合考虑焦距、视场角、光圈、分辨率、畸变等因素，确保与相机、光源等组件匹配。慕藤光作为领先品牌，提供多种高性能镜头（如高分辨率的FA镜头、远心镜头、变倍镜头和液态镜头等），并提供专业选型服务，帮助客户选择合适的镜头解决方案，确保机器视觉系统性能，助力企业在市场竞争中脱颖而出，实现高效、精准生产与检测。

（江苏慕藤光精密光学仪器有限公司  姚少华）