一、 核心思想：镜头是图像的“门户”

镜头的首要任务是将被测物清晰、准确、无失真地成像在相机传感器上。它的性能直接决定了图像质量的上限，后续的软件算法只能在此基础上进行优化，而无法弥补镜头本身的缺陷。

二、 镜头选型的七大关键参数

这七个参数构成了镜头选型的核心框架，它们相互关联，需要综合考虑。

1. 传感器尺寸 - 匹配相机的第一步

这是最基本也是首要的匹配参数。镜头的成像圈必须大于或等于相机的传感器尺寸，否则图像四周会出现严重的暗角甚至黑边。

• 原则： 镜头支持的传感器尺寸 ≥ 相机传感器尺寸

• 常见传感器尺寸： 1/1.8”、 2/3”、 1”、 4/3” 等。

• 错误示例： 为1”的相机配了一个支持2/3”传感器的镜头，会导致图像有暗角。

2. 接口类型 - 物理连接的保障

镜头和相机需要通过接口连接，必须确保接口匹配。

• 常见类型：

  • C接口： 工业视觉中最常见，后焦距离为17.526mm，体积小，成本低。通常用于传感器尺寸小于1”的相机。

  • CS接口： 与C接口螺纹相同，但后焦距离为12.5mm。C接口相机可以通过一个5mm的接圈使用CS接口镜头，反之则不行。

  • F接口： 尼康单反相机接口，后焦距离长，常用于大面阵相机或线扫相机。

  • M42 / M72： 常用于大靶面相机。

• 原则： 确认相机接口，选择对应接口的镜头。

3. 焦距 - 决定视场角和工作距离

焦距决定了镜头“看多远”和“看多广”。它是决定系统布局的关键。

• 计算公式：

  $$�=\frac{��\times �}{���}$$

• 其中：

  • $�$ = 焦距

  • $��$ = 工作距离

  • $�$ = 传感器尺寸（在FOV方向上的尺寸）

  • $���$ = 视野范围（你希望看到的物体范围）

• 定性关系：

  • 焦距越短： 视野越大，工作距离越近，景深越大，畸变通常也越大。

  • 焦距越长： 视野越小，工作距离越远，景深越小，能将远处物体放大。

• 选型步骤：

  1. 确定你需要的FOV（视野范围）。

  2. 确定可用的WD（工作距离，即镜头到物体的距离）。

  3. 查询你所用相机的传感器尺寸S。

  4. 利用公式计算出大致的焦距f，然后选择最接近的标准焦距镜头（如8mm, 12mm, 16mm, 25mm, 35mm, 50mm等）。

4. 光圈 - 控制进光量和景深

光圈用F数表示（如F1.4, F2.0, F2.8, F8, F16）。

• 影响：

  • 进光量： F值越小，光圈开口越大，进光量越多，图像越亮，适用于低光照环境。

  • 景深： F值越小，景深越浅（背景虚化效果）；F值越大，景深越大（整个视野内都清晰）。

• 选型建议：

  • 精度测量： 为了获得整个视野内都清晰的图像，通常需要缩小光圈（使用较大的F值，如F5.6-F8），以减少像差和获得大景深。

  • 高速应用： 需要大量光线，应选择大光圈（小F值） 镜头。

  • 注意：光圈过小（F值过大）会因衍射效应导致图像分辨率下降。

5. 分辨率 & 对比度 - 匹配相机像素

镜头的分辨率必须能支持相机的像素，否则相机的高分辨率就失去了意义。

• 概念： 镜头分辨率通常以每毫米能分辨的线对 来表示。相机的分辨率取决于像元大小。

• 匹配原则： 一个像素对应一个像元。为了充分发挥相机性能，镜头的分辨率应满足：

  $$\text{镜头的分辨率}(��\mathrm{/}��)\ge \frac{1000}{2\times \text{像元大小}(��)}$$

  • 例如：相机像元大小为3.45μm，则所需镜头分辨率 ≥ 1000 / (2 * 3.45) ≈ 145 lp/mm。

• MTF曲线： 这是评估镜头分辨率和对比度性能最科学的图表。曲线越高、越平缓，说明镜头性能越好。应选择在相机传感器中心到边缘范围内MTF值都较高的镜头。

6. 畸变 - 影响几何精度

畸变是镜头固有的光学缺陷，导致图像中的直线在边缘处变弯曲。

• 类型：

  • 枕形畸变： 直线向外弯曲。

  • 桶形畸变： 直线向内弯曲。

• 影响： 对尺寸测量、定位等应用影响极大。

• 选型： 选择远心镜头可以几乎消除畸变。对于普通镜头，应选择低畸变型号（如畸变率<0.1%），或在软件中进行畸变校正。

7. 景深 - 确保整个物体清晰

景深是指在焦点前后能够成像清晰的深度范围。

• 影响因素：

  • 光圈： 光圈越小（F值越大），景深越大。

  • 焦距： 焦距越短，景深越大。

  • 工作距离： 工作距离越远，景深越大。

• 选型考虑： 如果被测物体有高度差（如凹凸不平的表面），必须确保镜头的景深能够覆盖整个高度范围，否则部分区域会模糊。

三、 特殊镜头类型

在某些特定场景下，常规镜头无法满足要求。

1. 远心镜头

• 原理： 主光线平行于光轴，消除了透视误差。

• 优势：

  • 零透视误差： 物体在视场内移动，其成像大小不变。

  • 极低畸变。

  • 景深范围内放大倍率恒定。

• 应用： 高精度尺寸测量、定位、对有厚度物体的检测。

• 缺点： 价格昂贵，尺寸较大。

2. 线扫镜头

• 用途： 专为配合线阵相机使用而设计。

• 特点： 分辨率极高，畸变极小，专门针对一维扫描优化。

3. 微距镜头

• 用途： 用于极近距离、高放大倍率的拍摄。

• 特点： 通常在1:1到1:10的放大倍率下工作，像差校正极好。

四、 实战选型流程总结

1. 明确需求：

   • 检测内容： 是尺寸测量、缺陷检测、字符识别还是定位？

   • 系统精度要求： 最小需要分辨多少毫米的缺陷？（这决定了相机的像素和镜头的分辨率）

   • 视野： 我需要看多大的范围？

   • 工作距离： 镜头前端到被测物的距离可以是多少？

   • 物体状态： 是静止的还是运动的？有无高度变化？

   • 环境光： 光照条件如何？是否需要额外光源？

2. 选择相机： 根据精度和速度要求，确定相机的分辨率、传感器尺寸和像元大小。

3. 计算焦距： 使用公式 $�=(��\times �)\mathrm{/}���$ 计算出大致的焦距。

4. 初步筛选： 根据计算出的焦距、相机接口和传感器尺寸，筛选出几款候选镜头。

5. 精细匹配：

   • 对于高精度测量，优先考虑远心镜头或低畸变、高分辨率的定焦镜头。查看MTF曲线，确保边缘分辨率足够。

   • 对于表面缺陷检测，关注镜头的对比度和均匀性。

   • 对于有景深要求的场景，计算所需景深，并通过调整光圈、焦距和工作距离来满足。

   • 对于动态物体，需要大光圈镜头以保证进光量。

6. 品牌与预算： 在预算范围内，选择知名品牌（如 Edmund Optics, Computar, KOWA, Navitar, Zeiss, Moritex等），其光学性能和一致性更有保障。

7. 实际测试： 如果条件允许，最好的方法是将候选镜头在实际环境中进行测试，直接观察成像效果是否满足要求。