工业镜头光学结构参数及术语解释

   工业镜头一般都由光学系统和机械装置两部分组成，光学系统由若干透镜（或反射镜）组成，以构成正确的物像关系，保证获得正确、清晰的影像，它是镜头的核心；而机械装置包括固定光学元件的零件（如镜筒、透镜座、压圈、连接环等），镜头调节机构（如光圈调节环、调焦环、变焦环等），连接机构（比如常见的 C、CS 接口）等。

   成像镜头是光学产品的重要的组成部分，它的作用是将目标物体成像在图像传感器上。本文将对工业镜头的参数和术语解释，以了解光学系统和机械装置，帮助我们更好的了解工业镜头的功能效果，针对不同的机器视觉场景去对镜头的选型适配。

1.焦距：

定义：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，焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式。

平行光通过镜头汇聚于一点，这个点就是所说的焦点，是镜头的重要性能指标。一般常用的工业镜头的焦距为8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm等。焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，观察的范围大；焦距数值大，视场角小，观察范围小。

如何选择合适的焦距的定焦镜头？

请看镜头工作距，离焦距，传感器和视野尺寸的计算关系。

后焦距：镜头最后一个镜片表面顶点到焦点的距离。因对焦时镜头后镜片可能移动，一般标注无穷远对焦时的后焦距，也就是最小后焦距，有限距离成像时后焦距会增大。

2.光圈与景深：光圈定义：光圈F值又称为光圈数，是镜头焦距与有效孔径(即光圈)之比。

光圈数=焦距/有效孔径

F值衡量光学系统通光量的大小。F值越小进入系统的光线就越多，图像亮度越高。

图2：光圈与景深

一般镜头会标注最小光圈数，即最大通光孔径。如F1.4，F1.8，F2.0等。

光圈的调节会有两个主要影响：成像亮度与景深。

光圈越大，进入系统的光线越多，图像亮度越高；光圈越小，进入系统的光线越少，图像越暗。

光圈越大，景深越小，虚化明显；光圈越小，景深越大。

图3：大光圈通光量大，景深小虚化明显

景深定义：

镜头对某一物平面对焦后，在对焦平面的前后都有一段能清晰成像的范围，分别称为前景深和后景深。景深=前景深+后景深；

成像光束未会聚于一点，在像平面上形成一个扩散的圆形投影，称为弥散圆。

景深ΔL=ΔL1+ΔL2

δ：弥散圆直径；

f ：焦距；

F：光圈F值；

L：拍摄距离；

减小光圈（增大F值）、增加拍摄距离、选择小焦距镜头均可使景深增加

3.视场角：

定义：以光学镜头为顶点，以被测物体通过镜头的较大成像范围的两边缘构成的夹角叫做视场角。

视场角的大小决定了镜头的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率也就越小。

视场角与传感器尺寸有关，镜头的视场角应标明标准传感器尺寸。

以中联科创ZLKC 16mm 2/3" 5MP 定焦镜头 为例：

表1：16mm镜头传感器与视场大小

使用某一款相机，在相同工作距离下拍摄，不同焦距的镜头也会有不同的视场角。

图5：同款相机，相同工作距离，不同焦距的拍摄效果（注：图中所标为水平视场角）