工业镜头一般由若干个具有一定厚度的透镜组成。在大多数情况下，可以将整个镜头等效为一片薄透镜来进行参数计算，并且作为镜头选型的依据，镜头的光路结构如图1所示。
图1 工业镜头的光路结构
工业镜头作为系统的关键光学器件，其品质的好坏直接影响成像的质量。工业镜头能够收集被观测物体发出的光，然后在相机的图像传感器的光敏面上成像。
图2 工业镜头的成像原理
一、工业镜头的分类
工业镜头的种类很多，图3展示了几种不同分类依据下工业镜头的种类划分。
图3 工业镜头的分类
这里主要介绍FA镜头和远心镜头。
1、FA(Factory Automation)镜头
FA 镜头是指按照一般光学成像原理设计的工业用镜头，也就是普通镜头。FA 镜头一般是固定焦距、可改变光圈大小，镜头上有一个通光孔径调节环和一个聚焦调节环。通光孔径调节环的作用是改变镜头光圈的大小。聚焦调节环的作用是改变相机感光器件和焦点成像面的相对位置，使得成像清晰。
图4 FA镜头 图5 远心镜头
2、远心镜头
远心镜头是指为纠正传统工业镜头的视差而特殊设计的，在一定的物距范围内得到的图像放大倍率不会变化的镜头。FA 镜头距离被摄物体越近，被摄物体所成的像越大。远心镜头由于采用平行光路设计，在其远心范围内，改变镜头与被摄物体的距离，被摄物体所成的像大小不会发生变化。在物方采用平行光路设计的远心镜头称为物方远心镜头，在像方采用平行光路设计的远心镜头称为像方远心镜头，物方、像方都采用平行光路设计的远心镜头称为双远心镜头。
图6 传统镜头的光路 图7 物方远心镜头的光路
图8 像方远心镜头的光路 图9 双远心镜头的光路
图10 普通镜头和远心镜头的成像示意图
| 优缺点 | 普通镜头 | 远心镜头 |
| 优点 | 成本低，用途广 | 放大倍数恒定，不随景深变化而变化，无视差 |
| 缺点 | 放大倍率会有变化，有视差 | 成本高，尺寸大，重量大 |
表1 普通镜头和远心镜头的优缺点
二、工业镜头的性能参数
工业镜头有许多参数，客户可以根据实际的使用需求选择合适的参数。下面将介绍镜头的重要性能参数。
图11 工业镜头的参数
1、焦距(Focal Length，FL)
工业镜头的焦距是指镜头的光学中心(光学后主点)到成像面焦点的距离，是镜头的重要性能指标。平行光束通过镜头汇聚于一点，这个点就是所说的焦点。焦距的大小决定着视场角的大小，焦距越大，视场角就越小，观察范围也就越小，远处的物体能够看清楚；焦距越小，视场角就越大，观察范围也就越大，但是远处的物体看不清楚。
图12 焦距示意图
2、视场(视野范围，Field of View，FOV)
工业镜头的视场是指镜头能够清晰成像的视野范围，选用镜头时需要满足视场尺寸大于拍摄物尺寸。
3、视场角(AFOV)
工业镜头的视场角是指在光学系统中，以镜头为顶点，被测物体通过镜头的最大成像范围的两边缘所构成的夹角2θ，如图13所示。视场角的大小决定着镜头的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率也就越小。此外，镜头的焦距越小，获得指定大小视场所需的工作距离就越小。
图13 视场和视场角 图14 焦距和视场角
如图14所示，对于给定的传感器尺寸，焦距越小，镜头的视场角就越大。
4、光圈F值
工业镜头的光圈F值(光圈数)是指镜头的有效焦距与入瞳直径之比，衡量着光学系统通光量的大小，通常表示为F×、F/#、1：×或者f/#。
图15 光圈
对于光圈F值，F后面的数值越小，光通量就越大，景深也就越小。F值的计算公式为F=有效焦距/入瞳直径
| 光圈F值 | 光通量 | 景深 | 衍射极限的分辨率 |
| ↓ | ↑ | ↓ | ↑ |
| ↑ | ↓ | ↑ | ↓ |
表2 光圈F值对镜头性能参数的影响
5、工作距离(Working Distance，WD)
工业镜头的工作距离是指镜头能够清晰成像时，镜头前端到被观测物体的距离。对镜头进行选型时，需要考虑现实环境中允许的安装距离是否在镜头允许的工作距离范围之内。
6、最大兼容相机芯片尺寸
最大兼容相机芯片尺寸是指镜头能够兼容的最大相机芯片尺寸，避免因相机芯片尺寸过大而造成无效区域。如图16所示，图a是镜头正常成像时的图像，图b是镜头的最大兼容相机芯片尺寸小于相机的芯片尺寸时所成的像，可以看到视野的边缘区域出现被镜头遮挡的情况。
图16 最大兼容相机芯片尺寸对成像的影响
每种镜头只能够兼容感光芯片不超过一定尺寸的相机。为了保证相机感光芯片的充分利用以及整幅图像的质量，镜头的最大兼容相机芯片尺寸不能小于相机芯片尺寸。跟相机靶面尺寸一样，镜头厂商给出的最大适配芯片尺寸指的既不是芯片的边长，也不是芯片的对角线长度，而是与该芯片感光区面积相当的显像管的直径。表3给出了常见芯片尺寸所对应的芯片的边长和对角线长度。
| 传感器尺寸 | 对角线/mm | 宽度/mm | 高度/mm |
| 1/4" | 4 | 3.2 | 2.4 |
| 1/3" | 6 | 4.8 | 3.6 |
| 1/2" | 8 | 6.4 | 4.8 |
| 1/1.8" | 9 | 7.2 | 5.4 |
| 2/3" | 11 | 8.8 | 6.6 |
| 1" | 16 | 12.8 | 9.6 |
| 1.1" | 17.6 | 10.4 | 14.2 |
| 4/3" | 22 | 17.6 | 13.2 |
表3 常用的传感器尺寸
6、放大倍率(Magnification)
工业镜头的放大倍率是指物体通过镜头在焦平面上的成像大小与物体实际大小的比值。
7、最近对焦距离(MOD)
对于大部分的工业镜头而说，最近对焦距离越近，镜头的拍摄能力就越强。当对焦距离小于最近对焦距离时，相机则无法聚焦。
图17
8、像元尺寸
像元尺寸是指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸。通常情况下，芯片的像元尺寸越大，单个像元能够接收到的光子就越多，该芯片的感光性能也就越强。
9、分辨率(分辨力)
工业镜头的分辨率是指镜头可以分辨两个靠近的点的能力，具体是指在成像平面上1mm间距内能分辨开的黑白相间的线条对数，单位是lp/mm。
图18 分辨率示意图
图19展示了通过镜头能够清楚区分黑白线对和不能清晰区分黑白线对的图像对比。
图19
镜头分辨率也可以使用MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)曲线表示。调制传递函数反映着镜头在空间频率变化时再现对比度的能力，大小为一定空间频率下像方对比度与物方对比度之比。镜头和相机有着各自的分辨率，MTF 对应的空间截止频率(极限空间分辨率)越大，说明器件自身的空间分辨率越好，也就越能看清更小的细节。镜头的极限空间分辨率必须大于相机的极限空间分辨率，这样才能使得相机实现最佳的成像性能。
图20 镜头MTF曲线示意图
10、畸变
理想的镜头成像，物平面与像平面上的放大倍率是固定的，但是实际上这一性质只有在图像中心区域的小视场才具备。图像的放大倍率会随着视场增大而变化，使成像产生失真。畸变是指镜头对被拍摄物体所成的像相对于物体本身的失真程度。镜头成像常见的失真分为枕形畸变和桶形畸变两种。枕形畸变是指镜头成像画面呈向中间收缩的失真现象，而桶形畸变是指镜头成像画面呈桶形膨胀状的失真现象，如图21所示。
图21 枕形畸变和桶形畸变
根据不同的计算方法，畸变还可以分为光学畸变和TV畸变。光学畸变用理想像高与实际像高偏差的百分比来表示；而TV畸变是指实际拍摄图像时，图像自身的变形程度。一般情况下，有两种改善畸变的方法，一种是通过软件算法将镜头的畸变系数计算出来并进行校正；另一种是通过光路设计，从镜头本身减小畸变的影响。
11、后焦距(Back Focal Length，BFL)
工业镜头的后焦距是指镜头最后一个镜片的表面顶点到焦点的距离。
12、远心度
由于不同镜头的远心度有所差异，镜头消除视差的能力也是有差异的。远心度是指主光线与光轴的夹角θ，如图18所示。
图22 远心度
对于理想的远心镜头，θ=0°，θ越小代表着镜头的远心度越好，测量误差越小。
13、景深(Depth of Field，DOF)
在镜头物方焦点前后有一段一定长度的空间，当拍摄物位于这段空间内时，其在感光传感器上的成像都位于容许弥散圆之内，而景深则是指拍摄物所在的这段空间的长度。前景深是指从焦点到近点容许弥散圆的距离，后景深是指从焦点到远点容许弥散圆的距离，如图23所示。
图23 景深
δ—弥散圆直径 L—拍摄距离 ∆L₁—前景深 ∆L₂—后景深 ∆L—景深
景深∆L=∆L₁+∆L₂
景深随着镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。
（1）光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。
（2）焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。
（3）距离拍摄物体越远，景深越大；距离拍摄物体越近，景深越小。
14、光学总长
工业镜头的光学总长是指镜头第一片镜片表面到像平面的距离。
15、接口
工业镜头与相机需要配合使用，镜头通过镜头接口安装在相机上，两者的安装接口类型应该一致。镜头接口分为螺口和卡口两类，螺口主要有 M42 接口、M58接口、M72 接口、C 接口、CS 接口等，卡口主要有F接口、V 接口等。
| 接口类型 | 法兰距/mm | 螺纹规格 |
| C | 17.526 | M25.4×0.8 |
| CS | 12.5 | M25.4×0.8 |
| F | 46.5 | 内径47mm |
| M42(SLR型) | 45.5 | M42×1 |
| M42(T型) | 55 | M42×0.75 |
| M58 | 11.48 | M58×0.75 |
| M72 | 11.48 | M72×0.75 |
表4 镜头接口规格
法兰距(Flange Back/Flange Focal Distance)：(物镜对焦清晰时)自物镜的安装基准面到像方焦平面之间的距离。
图24
16、转接环
转接环是一种转接工具，两端为不同的接口，可以使得镜头适配到相应的相机上。
17、接圈
当物距小于镜头的工作距离时，需要在镜头和相机之间增加接圈，用来增大像距。
（1）C接口镜头匹配C接口相机；
（2）CS接口镜头匹配CS接口相机；
（3）C接口镜头+ 5mm接圈匹配CS接口相机；
（4）CS接口镜头不匹配C接口相机。
