在工業機器視覺中，鏡頭的選擇直接影響相機能否產生足夠穩定的影像以供測量、檢查和識別。當焦點設定改變時，消費級鏡頭或不合適的變焦鏡頭可能會導致視野、焦點、放大倍率或失真的變化。這些變化會使校準複雜化並降低連續操作期間的測量一致性。

固定焦距鏡頭是圍繞特定的光學配置而不是連續改變焦距而設計的。當焦距、感測器格式、工作距離和所需視場正確匹配時，鏡頭可以為自動偵測、精密測量、機器人視覺和物體辨識提供可重複的成像幾何形狀。

然而，對於工業買家來說，選擇定焦鏡頭不應僅從價格開始。焦距、感測器尺寸、解析度、畸變、光圈、工作距離、光學鍍膜、機械介面和客製化要求都會影響成像性能和最終的定焦鏡頭價格。

為什麼固定焦距在工業視覺上很重要

固定焦距鏡頭針對一個定義的焦距進行了最佳化。這使得圍繞特定範圍的工作距離、感測器格式、像圈和視場要求設計光學系統成為可能。

例如，檢查攝影機可能需要從固定的安裝距離覆蓋 100 毫米寬的組件。可以根據相機感光元件和所需的 FOV 選擇合適的固定焦距，而不是依靠變焦機制來調整影像。安裝並校準後，光學幾何形狀保持一致。

這在自動檢測線上特別有用，其中相機重複檢測相似位置的組件。

關鍵是，定焦並不意味著鏡頭只能在一個物理距離上使用。不同的固定焦距可用於不同的工作距離和目標尺寸。較短的焦距通常提供較寬的視野，而當相機位置和感測器在其他方面具有可比性時，較長的焦距提供較窄的視野。

這種關係允許機器視覺工程師根據實際檢測幾何形狀選擇鏡頭，而不是將焦距視為孤立的規格。

如何選擇定焦鏡頭

最重要的參數應作為連接的光學系統進行評估。

焦距、感測器尺寸和視野

焦距決定了鏡頭的角度覆蓋範圍，而感光元件尺寸則決定了相機捕捉多少投影影像。

一個有用的簡化關係是：

FOV ≈ 感光元件尺寸 × 工作距離 / 焦距

這不是一個完整的光學設計方程，但它說明了選擇邏輯。對於相同的感測器和工作距離，增加焦距通常會減少視野。縮短焦距通常會增加覆蓋範圍。

考慮一個工廠自動化應用，其中相機必須檢查受限安裝位置內相對較大的組件。可能需要更短的焦距才能捕捉完整的目標。在物體較小且相機安裝較遠的精密測量應用中，較長的焦距可以提供更合適的影像比例。

因此，正確的問題不是簡單地「哪個焦距更好？」這是：

什麼焦距可以在可用工作距離產生所需的視場，同時為所選感測器提供足夠的解析度和可接受的失真？

工作距離和安裝幾何形狀

工作距離在自動化設備中尤其重要，因為可用的安裝空間通常是預先決定的。

在不考慮工作距離的情況下選擇鏡頭可能會迫使相機重新定位，改變所需的視野，或使照明整合更加困難。

因此，對於機器人視覺和自動檢測，鏡頭應與相機位置、物體尺寸、照明佈置和機械安裝結構一起評估。

解析度與相機匹配

高解析度相機不會自動產生高解析度的檢查結果。

鏡頭必須為相機感光元件解析足夠的空間細節。如果光學解析度不足，增加相機像素數可能提供有限的實際改進，因為鏡頭成為成像鏈中的瓶頸。

這對於精密測量、電子元件檢查、尺寸驗證和精細表面檢查尤其重要。

因此，正確的評估應考慮：

• 感測器解析度

• 像素大小

• 鏡頭光學解析度

• 目標特徵尺寸

• 所需的測量精度

• 工作距離

• 光照條件

目標是將鏡頭的光學解析度與相機的實際功能相匹配，而不是選擇高像素相機並假設整個系統將自動提供更高的細節。

失真度和測量精度

當鏡頭用於尺寸檢查時，畸變變得更加重要。

桶形或枕形變形會改變影像中特徵的明顯位置。對於物件識別，根據應用，一定量的失真是可以接受的。然而，對於精密測量，畸變控制變得更加重要，因為影像幾何形狀直接影響測量結果和校準。

這就是為什麼用於精密測量的鏡頭應該與用於一般物體檢測的鏡頭進行不同的評估。

光圈和景深

光圈影響光傳輸和景深。更寬的光圈允許更多的光線到達感光元件，但通常會減少景深。較小的光圈可以增加保持可接受聚焦的物體位置範圍，儘管它也會減少到達感測器的光量。

對於自動化檢測，當目標表面不完全平坦或零件高度在生產過程中變化時，景深很重要。

例如，檢查不同高度零件的表面檢查系統可能需要足夠的景深，以將相關特徵保持在可接受的焦點範圍內。相較之下，具有受控物件位置的精密測量系統可能比大景深範圍更注重解析度和失真。

因此，正確的光圈取決於照明、曝光、所需景深、感測器性能和光學解析度之間的相互作用。

固定焦距鏡頭在機器視覺的應用

不同的工業應用對光學參數的重視程度不同。

工廠自動化通常需要可重複的成像幾何形狀以及與固定相機安裝位置的兼容性。正確選擇的定焦鏡頭可以簡化校準並在整個重複檢查週期中保持一致的放大倍率。

自動檢測通常需要在解析度、FOV、畸變和景深之間取得平衡。鏡頭必須捕捉所需的檢查區域，同時保持足夠的細節以進行缺陷檢測。

精密測量更加重視畸變、解析度、幾何一致性和相機匹配。如果犧牲尺寸評估所需的影像比例或畸變性能，那麼具有寬視野的鏡頭可能不合適。

機器人視覺可能需要工作距離、FOV、景深和機械相容性的組合，因為相機和鏡頭可能安裝在移動的機器人系統上。

物體辨識可以更注重足夠的影像覆蓋和穩定的對比度，而不是極低的失真，這取決於辨識演算法和目標特徵。

這些差異說明了為什麼沒有通用的「最佳」定焦鏡頭。適當的規格取決於機器視覺系統的光學和機械條件。

定焦鏡頭價格由什麼決定？

固定焦距鏡頭的價格在外觀相似的產品之間可能存在很大差異。主要原因是工業鏡頭不單獨根據焦距定價。

感測器格式

設計用於覆蓋更大感測器的鏡頭需要足夠大的像圈和能夠在該影像區域保持性能的光學設計。因此，支援更大的感測器格式會增加光學複雜性和製造要求。

解析度和失真控制

更高的光學解析度和更嚴格的畸變要求通常需要更精確的光學設計、元件製造、組裝和檢查。

對於高解析度偵測系統，購買具有合適光學性能的鏡頭比簡單地選擇成本最低的鏡頭更有意義。如果鏡頭無法充分利用相機感光元件，相機的部分解析度能力可能無法使用。

光圈和工作距離

更寬的光圈、專門的工作距離或不尋常的 FOV 要求可能需要額外的光學最佳化。這些規格會影響鏡頭設計及其製造成本。

安裝和機械要求

通用介面可以簡化集成，而客製化的機械尺寸、安裝結構、螺紋配置或環境要求可能會增加開發和製造成本。

光學材料、塗層和定制

光學玻璃選擇、鍍膜要求、光譜範圍和客製化光學配置也會影響定價。標準生產鏡頭和圍繞特定相機、FOV、工作距離或檢查目標設計的鏡頭不應具有相同的成本結構。

因此，對於採購團隊來說，更有用的比較不僅僅是：

鏡頭 A 的成本低於鏡頭 B。

相反，評估：

鏡頭 + 相機相容性 + 照明 + 安裝 + 校準 + 所需的光學性能

這提供了更真實的機器視覺系統總成本視圖。

ECOPTIK：工業視覺客製化光學解決方案

ECOPTIK為需要同時考慮成像幾何形狀、解析度、畸變和相機相容性的機器視覺應用提供工業定焦鏡頭和客製化光學解決方案。

ECOPTIK 擁有 15 年光學元件製造技術經驗，製造精密光學元件，包括圓頂透鏡、球面透鏡、微型光學元件、柱面鏡、濾光片、棱鏡和窗口。可用材料包括肖特、CDGM 和康寧玻璃，以及藍寶石、CaF2、MgF2、熔融石英、Si、ZnSe 和 ZnS。該公司還提供鏡頭組裝服務。

對於光學驗證和產品報告，ECOPTIK 使用的設備包括 ZYGO 雷射干涉儀、ZEISS CMM Spectrum 和 Agilent Cary 7000 UMS。

對於機器視覺客戶來說，這種製造和測試能力支援更客製化的定焦鏡頭開發方法。不再僅根據焦距或目錄價格來選擇鏡頭，而是可以圍繞目標應用來考慮光學配置，包括感測器尺寸、FOV、工作距離、解析度、畸變、光圈和機械整合。

做出正確的定焦鏡頭決策

選擇固定焦距鏡頭最終是將光學參數與實際機器視覺任務相匹配的練習。

從目標尺寸和所需的視野開始，然後確定可用的工作距離和感測器尺寸。從那裡，選擇合適的焦距並驗證鏡頭解析度是否與相機感光元件相符。接下來，根據檢查目標評估畸變、光圈、景深、機械安裝和照明條件。

對於採購，定焦鏡頭價格也遵循相同的原則。如果鏡頭造成解析度限制、校準困難、過度失真或相機相容性問題，則較低的初始鏡頭價格可能並不代表較低的系統成本。

對於自動化檢測、精密測量、機器人視覺和工廠自動化來說，最實用的定焦鏡頭是光學設計與完整成像系統相符的鏡頭，而不僅僅是購買價格最低的鏡頭。