【自有技术大讲堂】工业镜头-变焦镜头

导读

工业镜头是机器视觉中用于成像的组件，其主要功能是将目标成像到图像传感器上，其成像质量直接影响到机器视觉系统的整体性能。不同的应用需要选择不同类型的工业镜头，机器视觉行业内通常将工业镜头分为定焦镜头、变焦镜头、线扫镜头、远心镜头等，这些分类并没有严格的界限。

概念

依据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。依据焦距的长短，定焦距镜头又可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四大类。定焦镜头具有固定的视场角，但这种镜头仍然可以在不同工作距离处对焦，最常见的做法改变镜头与传感器之间的距离。由于这种镜头使用灵活，且具有优异的性能，因此在大多数机器视觉应用中，通常采用定焦镜头。

定焦距镜头设计成具有固定视场角度，而变焦镜头是在一定范围内可以变换焦距、从而得到不同宽窄的视场角。变焦镜头特别适合使用过程中需要最大限度的灵活性，但不需要高分辨率的应用。

图1.（a）定焦镜头；（b）变焦镜头

原理

对于变焦距系统来说，由于系统焦距的改变，必然使物像之间的倍率发生变化，所以变焦距系统也称为变倍系统。多数变焦距系统除了要求改变物像之间的倍率之外，还要求保持像面位置不变，即物像之间的共轭距不变。

对一个确定的透镜组来说，当它对固定的物平面做相对移动时，对应的像平面的位置和像的大小都将发生变化。当它和另一个固定的透镜组组合在一起时，它们的组合焦距将随之改变。如图2所示，假定第一个透镜组的焦距为f′1， 第二个透镜组对第一个透镜组焦面f1′的垂轴放大率为β2，则它们的组合焦距f′为

图2. 两透镜组之间的关系

当第二透镜组移动时，β₂将变大，像的大小将改变，像面位置也随之改变，因此系统的组合焦距f′也将改变。因此变焦系统的核心是通过移动透镜组来改变倍率的。

变焦镜头通常由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组组成。变倍组在变焦系统中主要负责改变倍率，在这个过程中像面也随之发生改变，补偿组就通过做相应的移动以补偿像面的改变，而补偿组对整体的倍率改变影响较小。

图3. 变焦系统的组成及变焦原理

图4. 变焦系统设计实例

分类

根据镜头的控制方式，变焦镜头可分为手动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头和电动三可变镜头。

（1）手动变焦镜头：焦距和光圈可以手动调节，通常在使用过程中一次性进行调整。

（2）自动光圈电动变焦镜头，这种镜头增加了两个微型电机，其中一个微型电机控制变焦环的转动以改变焦距，另一个微型电机控制聚焦环的转动使镜头完成聚焦。电机可由人工通过施加电压来控制，故而又称“两可变”镜头。

（3）电动三可变镜头：三个可调参数（光圈、焦距、聚焦）都是电动可变的，相比于“两可变”镜头，仅仅是将光圈的调整方式从自动控制变为遥控控制，目前该类镜头的应缴镜头，由于不再是自动光圈，减少了自动控制电路部分。

图5. 电动变焦镜头

结语

变焦镜头在成像质量上还无法与定焦镜头相媲美，因此工业上应用较多的仍是定焦镜头，目前只是在较少的应用场景中使用小变倍比的手动变焦镜头。但随着光学设计和加工技术的不断进步，以及机器视觉中检测需求的不断增加，工业用变焦的镜头也正朝向大变倍比和高清化发展。由于变焦镜头具有能够改变观测视场的优势，在机器视觉中可以使用一个镜头代替多个镜头，有利于简化系统机构，因此变焦镜头在未来机器视觉中的应用中会越来越广泛。

参考文献

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