傳統的廣角鏡頭比標準鏡頭可以捕捉更多的場景，但當視覺系統需要從有限的安裝位置覆蓋大面積時，它們的視野仍然不足。這成為機器視覺、安全監控、全景成像和檢查系統的實際限制，其中盲點可能會影響偵測或覆蓋範圍。

魚眼鏡頭透過極寬的視野（通常約為 180° 或更大）滿足了這項要求。它們的短焦距、強烈的非線性失真和大景深使得單一相機能夠捕捉更大的場景。然而，選擇魚眼鏡頭不僅僅是選擇盡可能大的視場角。感測器尺寸、像圈、焦距、畸變特性、邊緣解析度、濾鏡相容性以及所需的影像處理工作流程都會影響最終結果。

對於工業和科學用戶來說，在選擇魚眼鏡頭或設計客製化的全景視覺系統時，了解這些關係至關重要。

了解魚眼鏡頭的光學特性

魚眼鏡頭的顯著特徵是其極寬的視野。根據光學設計，魚眼鏡頭可以提供大約 180° 甚至更寬的覆蓋範圍，有些設計可以達到 220° 左右。這使得攝影機能夠從相對緊湊的安裝位置觀察大面積的區域。

焦距與此覆蓋範圍密切相關。魚眼鏡頭通常使用大約 8-15 毫米範圍內的短焦距，但適當的值在很大程度上取決於影像感測器格式和所需的視場。相同的焦距不會在每個感測器上產生相同的影像覆蓋範圍。較大的感光元件通常會捕捉影像圈的較大部分，而鏡頭必須提供與該感光元件相容的影像圈。

這就是為什麼 FOV 不應該獨立於感測器尺寸和像圈進行評估。當與不相容的感測器配對時，為特定感測器格式設計的鏡頭可能會產生漸暈或不完整的影像覆蓋。

魚眼鏡頭也故意引入強烈的非線性失真。影像邊緣附近的直線看起來是彎曲的，而光學中心周圍的物體通常會出現不太明顯的失真。這種投影行為與傳統的直線廣角鏡頭根本不同。

失真不一定是缺點。在最大場景覆蓋比維持直線幾何形狀更重要的應用中，例如全景監控，魚眼投影可以提供有用的信息，否則需要多個攝影機。

當捕獲的影像必須用於測量、物件定位、自動檢查或詳細分析時，就會出現挑戰。在這些情況下，畸變會改變影像中物體的明顯位置和形狀。因此，可能需要基於軟體或光學畸變校正來將原始魚眼影像轉換為在幾何上更有用的表示。

大景深是另一個重要特徵。由於魚眼鏡頭通常使用短焦距，因此場景的相對大部分可以保持在可接受的焦點範圍內。當目標位於不同距離時，尤其是在監控環境、大型檢查區域和複雜的工業設施中，這非常有用。

魚眼鏡頭濾鏡和感光元件如何影響影像性能

魚眼鏡頭濾鏡應被視為光學系統的一部分，而不是獨立的配件。濾光片的選擇會影響光傳輸、光譜響應、漸暈和邊緣影像質量，特別是對於緊湊型魚眼設計，其中入射光角度朝視場邊緣顯著變化。

對於可見光應用，可以根據所需的波長範圍、環境光條件或成像目標來選擇光學濾波器。在紅外線敏感系統中，可能需要紅外線截止濾光片或紅外線校正解決方案來控制不必要的紅外線傳輸並保持更一致的顏色或聚焦特性。

感光元件也必須與濾光片和鏡頭同時考慮。感光元件尺寸決定了鏡頭像圈的使用量，而像素尺寸和感光元件則影響光學系統需要解析的細節程度。只有當光學設計能夠在所需影像區域提供足夠的解析度時，與高解析度感測器配對的魚眼鏡頭才有用。

因此，購買者應該一起評估幾個參數：

• 感測器尺寸：確定可用影像區域並影響最終的視場。

• 焦距：影響場景覆蓋範圍和工作距離。

• 影像圈：必須充分覆蓋所選感測器，且沒有不可接受的漸暈。

• 光圈：影響光收集、景深和曝光性能。

• 濾光片類型和光譜範圍：決定如何傳輸或抑制特定波長。

• 安裝接口：必須符合相機和機械安裝要求。

• 畸變特性：確定可能需要多少幾何校正。

• 邊緣解析度：當影像週邊附近的物體是檢查或監控目標的一部分時尤其重要。

過濾器安裝也需要注意。根據光學架構，濾光片可以放置在鏡頭前部、光學組件內或透過客製化的機械介面放置。尺寸不正確的濾光片可能會在有效光路中引入機械幹擾、漸暈或不良變化。

對於科學和工業應用，應在選擇濾光片之前定義波長要求。專為可見光成像、近紅外線成像或特定光譜帶設計的系統可能需要非常不同的濾光片特性。簡單地添加通用濾光片而不考慮鏡頭傳輸範圍和感測器光譜響應可能會減少可用訊號。

魚眼鏡頭有什麼用處？

那麼，魚眼鏡頭有什麼用呢？它們的主要優勢不僅僅是“廣角”。當系統需要從有限的相機位置捕獲非常大的視野並且可以適應相關的非線性投影時，它們非常有用。

在機器視覺中，當偵測區域相對於可用的相機安裝空間較大時，可以使用魚眼鏡頭。例如，生產線、大型機械組裝、倉庫區域或自動檢查區域可能需要比傳統鏡頭所能提供的更廣闊的視野。當物體出現在與相機不同距離的位置時，大景深也會有所幫助。

然而，機器視覺使用者應該區分覆蓋範圍和測量精度。如果需要對整個影像進行精確的尺寸測量或幾何檢查，失真校正和校準成像就變得至關重要。魚眼鏡頭可以提供必要的覆蓋範圍，但係統必須在影像處理過程中考慮投影失真。

在安防監控中，180°以上的視野可以減少攝影機安裝周圍的盲點。單一攝影機可以監控廣闊的室內或室外區域，否則可能需要多個傳統攝影機。適當的選擇取決於安裝高度、目標距離、所需的覆蓋範圍、照明條件、感測器格式以及最終影像是否將顯示為未校正的魚眼視圖或轉換為校正的全景影像。

對於全景成像，魚眼鏡頭特別有用，因為它們的投影允許在一幀中捕捉大角度範圍。影像校正和拼接軟體隨後可以根據應用程式的要求將來源影像轉換為全景表示。

在複雜環境監控中，大景深有助於維持不同距離目標的可用焦點。這與工業設施、大型設備空間、交通環境以及攝影機無法靠近每個目標的其他安裝有關。

對於科學研究，鏡頭的選擇變得更加針對具體應用。研究人員可能需要同時考慮波長範圍、感測器靈敏度、光學畸變、光譜濾波器、像圈和校準要求。當必須觀察大角度區域同時保持緊湊的光學配置時，魚眼系統非常有用。

如何平衡視野和畸變

更大的視野通常會帶來更大的投影失真，因此選擇魚眼鏡頭從根本上來說是場景覆蓋範圍和幾何保真度之間的平衡。

如果主要要求是最大覆蓋範圍，180°或更寬的魚眼設計可以提供顯著的優勢。然而，如果應用需要在影像邊緣附近進行精確的物件定位，則畸變校正就成為系統設計的主要部分。

這對於機器視覺尤其重要。由於投影特性，位於中心附近的物件和位於邊緣附近的相同物件可能具有不同的外觀形狀和比例。校準和畸變校正可以補償這些影響，但最終結果的品質取決於原始光學設計以及校正演算法。

因此，專業魚眼鏡頭的開發不僅注重實現大視野，還著重控制畸變在整個影像中的分佈方式。優化光學設計有助於在應用數位校正之前在外圍區域保留更多有用的影像資訊。

對於安全或全景攝影機，選擇過程應從所需的覆蓋區域開始，而不僅僅是鏡頭規格。首先定義感測器格式、安裝距離、目標區域、所需視野、可接受的失真、照明條件和輸出影像格式。然後可以圍繞這些要求選擇適當的魚眼設計。

ECOPTIK 魚眼鏡頭和光學定制

ECOPTIK已研究光學元件製造技術 15 年，並​​為工業和科學應用提供客製化光學解決方案。其光學製造能力包括圓頂光學元件、球面透鏡、微型光學元件、柱面鏡、濾光片、棱鏡和光學窗口。

對於魚眼和全景視覺應用，ECOPTIK 為機器視覺、安全監控和先進科學應用提供工業級魚眼鏡頭和全景視覺解決方案。其方法結合了鏡頭設計、畸變校正、感測器匹配以及根據預期成像環境進行客製化。

材料選項包括肖特、CDGM 和康寧的光學玻璃，以及藍寶石、CaF2、MgF2、熔融石英、矽、ZnSe 和 ZnS。還可以為需要整合光學解決方案的專案提供鏡頭組裝服務。

為了進行品質驗證和光學表徵，ECOPTIK 使用的設備包括 ZYGO 雷射干涉儀、ZEISS CMM Spectrum 和 Agilent Cary 7000 UMS。這些儀器支援尺寸、干涉和光譜測試，可用於提供客製化光學元件的產品報告。

因此，對於 B2B 買家來說，關鍵問題不僅僅是魚眼鏡頭是否提供 180° 或更寬的視野。更重要的問題是其焦距、感測器相容性、像圈、畸變輪廓、景深、濾光片配置和邊緣解析度是否符合實際成像要求。

正確匹配的魚眼光學系統可以提供廣泛的場景覆蓋範圍，同時保留可用的影像信息，用於自動檢查、安全監控、全景成像和專業研究應用。