讓一切正確對焦：找到最適合你相機的鏡頭

為獲得清晰出色的影像，除了需要好相機，也需要適合搭配相機的鏡頭。可選的鏡頭之多，從一開始就顯而易見。微型數位相機通常採用固定式鏡頭，單眼反光相機可以使用可交換的鏡頭，以在各種不同情況下拍到最好的畫面。各種鏡頭的差異不僅在其解析度、視角寬度、尺寸，其結構也各有不同。這也是機器視覺相機與其適配鏡頭的「問題」。下面的文章會介紹在哪種情況下適用什麼鏡頭。

鏡頭有哪幾種類型？

在開始說明挑選鏡頭時要注意什麼之間，應該先了解有哪些類型的鏡頭可選。通常有近心鏡頭和遠心鏡頭，以及廣角和魚眼鏡頭。此外，也有適用於近紅外線的特殊鏡頭。

不過我們在此只專注於近心鏡頭，因為這種鏡頭主要用在機器視覺應用。一般的近心鏡頭，會有同時用於鏡頭與感光元件的固定角度光圈。其光圈角度與肉眼近似。距離較遠的物體看起來會比較小，近的看起來會較大。最常見的近心鏡頭，就是肉眼。

在選擇鏡頭時，應該考量哪些要點？

1.感光元件尺寸與成像範圍

感光元件尺寸是選擇正確鏡頭的決定性因素。特別是高解析度的面掃瞄與線掃瞄相機，其感光元件比低解析度相機的要大。感光元件尺寸並非由任何標準決家，而是由其解析度與感光元件的畫素大小來決定。理論上任何大小都是可能的，唯一的問題是價格。感光元件通常以英吋為單位，但 1 英吋感光元件的對角線大小是 16mm 而非 25.4 mm。這是有其歷史原因的。感光元件通常以英吋為單位，但 1 英吋感光元件的對角線大小是 16mm 而非 25.4 mm。這是有其歷史原因的。

1.1 Mount

在相機機與與鏡頭間的介面，就稱為Mount。Mount具有標準大小，並且根據機身內部的螺紋來標示。

C Mount 是機器視覺相機使用最廣泛的接環種類，適用於約 20 mm 的感光元件對角線，即 1.5 英吋。較大的感光元件通常使用 F-mount (或 F bayonet)，但這種接環很少用在工業應用上。對於這類應用，適用於小型感光用件的 CS 和 S Mount鏡頭更加常用。S Mount鏡頭用於 1/2吋、1/3 吋或更小感光元件尺寸。要把 C Mount鏡頭接在 CS Mount機身上，就必須使用一個 5 mm 轉接環。可以反過來用嗎？CS Mount鏡頭不能接在 C Mount相機上。

1.2 成像範圍直徑

相機接環相對於接環大小，只能有條件的推算其成像範圍。「成像範圍」一詞是指光透過鏡頭照射感光元件表面，邊緣不產生任何陰影 (即「周邊暗角」)的區域。

和感光元件尺寸一樣，成像範圍直徑以英吋為單位計算。理想情況下，一個 1/3" C Mount 鏡頭應該安裝在一個具備 1/3" 大小感光元件的相機上。這樣就能最有效率的使用成像範圍。如果同一個鏡頭裝在具備 1/2" 的感光元件上，就會產生周邊暗角。

‍如果使用具有相同焦距的 2/3" 鏡頭和一個 1/3" 感光元件，將不會有任何周邊暗角的問題產生。然而，視角會因而改變。原則上使用更大的鏡頭反而會有額外優勢，因為其成像範圍更大，因此影像從中心到邊緣的銳化更為一致。

在這種情形下，有一大部分的成像範圍未用到，造成金錢的浪費。鏡頭的大小不是重點，影像大小還是由感光元件尺寸來決定。鏡頭愈大，價格就愈貴。使用較小感光元件時，可以適當搭配較小的鏡頭。

結論：成像範圍直徑必須等於或大於感光元件尺寸！

2.解析度與畫素尺寸

只有使用高解析度的鏡頭，才能產生高解析度的影像。

要得到非常良好的高解析度影像，不只需要更多的畫素數。鏡頭必須要能夠對應畫素尺寸。鏡頭的解析度以每公釐幾條線對 (line pair) 來表示，即每一公釐可以容納幾條彼此分明的線條。能清晰分辨的線對數愈多，鏡頭的解析度就愈高。

鏡頭自影像中心到邊緣的解析度能力，以 MTF (modualtion transfer function) 曲線來表示。可向製造商詢問鏡頭的 MTF 曲線。計算 MTF 曲線標準，是以一張上有黑白條紋的測試圖卡來進行，條紋的密度會愈來愈精細，可以讀出最大解析度的 lp/mm 數值。

鏡頭解析度可以幫助定出具備一定解析能力的最大像素大小。通常可解析的 MP 數會直接標示在鏡頭規格中。

具備 5MP 解析度的感光元件，就有五百萬個影像點；需要能夠完整解析這五百萬畫素的鏡頭。

結論：鏡頭解析度比須符合感光元件的畫素尺寸。

側記：百萬畫素 (Megapixel, MP)

許多消費型相機或智慧型手機製造商，在廣告時特別強調其裝置具有高 MP 數。這讓消費者以為更高的 MP 數就表示更高解析度，畫質也愈好。但是如果沒有搭配合適的鏡頭，高 MP 數實際上就沒有作用。高品質鏡頭十分昂貴，因此許多製造商會試圖在此處節省成本。舉例來說，具備 20 MP 相機解析度的智慧型手機，如果只會製造出模糊的影像的話，具備如此高畫素數的感光元件只會讓影像更加模糊。

但是，一台只有 5MP 解析度的數位相機，如果具備高品質的鏡頭，反而會產生更銳利的影像，即使其解析度明顯較低。

對工業影像處理來說，其解析度通常在 VGA (0.3 MP) 到 5 MP 之間。至少對於 C Mount 相機來說，更高的解析度沒有什麼意義，因為個別畫素太小，雜訊會變得太大，無法執行需要的測量與檢測工作。