聚焦一切：尋找適合您視覺系統的鏡頭
想獲得銳利的影像，不只需要好相機，更需搭配正確的鏡頭，才能確保最佳影像品質。鏡頭之間的差異不僅在於解析度、焦距和尺寸，也在於其設計。在下面的文章中，我們將告訴您什麼鏡頭適用於什麼情況。
可供選擇的鏡頭類型：選擇鏡頭時，有哪些重要事項？
選擇正確的鏡頭，對於影像處理系統的效能十分重要。必須同時考慮多項技術因素，以確保光學鏡頭與感光元件的搭配最佳化；特別要考慮感光元件尺寸、解析度、焦距和光圈值。
首先，簡單介紹一下最重要的鏡頭類型：
我們通常說的是內心鏡頭或遠心鏡頭，以及廣角鏡頭和魚眼鏡頭。此外，還有適用於近紅外線的特殊鏡頭。
在下文中，我們將專注於 近心 (entocentric) 鏡頭，大部分的機器視覺應用程式都使用這類鏡頭。這種鏡頭可產生類似肉眼所見的透視影像：遠處的物件看起來較小，近處的物件看起來較大。而肉眼本身就是一種近心鏡頭。
下列的技術因素，是選擇合適鏡頭的決定因素：
感光元件尺寸與成像圈直徑
解析度與畫素尺寸
焦距
光圈開放程度與光源條件
1. 感光元件尺寸與成像圈
感光元件尺寸是選擇鏡頭的關鍵因素。高解析度面掃描和線掃描相機的感光元件，通常比解析度較低的相機來得大。感光元件的尺寸並無標準，而是由解析度和畫素大小決定 - 理論上幾乎任何尺寸都有可能，視預算而定。感光元件尺寸以英吋為單位。然而，1 英吋並非對應 25.4 mm，而是對應約 16 mm；這是長久以來認定的工業標準數值。
1.1 接環
鏡頭安裝到相機上的連接處稱為接環，通常使用標準尺寸。
C-mount 是機器視覺相機最廣泛使用的接環類型，適用於對角線約為 20 mm (相當於 1.5") 的感光元件。如果感光元件較大的話，一般會使用 F-mount 或 F-bayonet，不過這種類型很少用於工業應用。在這類應用中，較常使用 CS-mount 和 S-mount。這兩種接環適用於感光元件較小的相機。 S-mount 鏡頭用於感光元件尺寸為 1/2"、1/3" 或較小的相機。要將 C-mount 鏡頭安裝在 CS-mount 相機上，必須使用 5 mm 轉接環。此步驟不能反過來：CS-mount 鏡頭不能安裝在 C-mount 相機上。
1.2 成像圈直徑
鏡頭的接環或接環尺寸，只能顯示出大小有限的成像圈；也就是指感光元件區域中曝光均勻，且沒有邊緣陰影（暈影）的部分。
與感光元件尺寸一樣，成像圈直徑的單位也是英吋。1/3" C-mount 鏡頭非常適合用於 1/3"感光元件的相機，因為成像圈可得到最佳利用率。如果使用較大的感光元件（例如 1/2"），再使用同樣的鏡頭時，就會造成暈影。
另一方面，如果在較小的 1/3" 感光元件上使用 2/3" 鏡頭，不會產生暈影，且影像的銳利度一直到邊緣都很高；但就會有一大部分的成像圈是使用不到的；這樣的效能比較差，因為較大的鏡頭較為昂貴。因此，感光元件比較小的話，搭配較小的鏡頭使用，通常更具成本效益。 決定性因素是成像圈直徑必須等於或大於感光元件尺寸。
2. 解析度與畫素大小
高解析度視覺系統不僅需要具備許多百萬畫素的感光元件，還需要能實際重現此解析度的鏡頭。鏡頭的解析度決定了精細的細節是否仍然可見或消失。在以下的章節中，您會了解到為什麼解析度和畫素大小需要一併考慮，以及如何評估鏡頭的效能。
解析度與每公釐線對
鏡頭的解析度是以每公釐線對數量 (lp/mm) 來表示的。這個數值說明在一公釐的範圍內，有多少條細線可以清楚地彼此分辨。此數值越高，描繪的細節就越清晰。鏡頭解析度得要夠高，感光元件才能發揮全部的實力。
MTF 曲線：從中心到邊緣的銳利度
MTF 曲線（調變轉換函數） 可顯示鏡頭在整個像場從影像中心到邊緣的解析度。此曲線是以黑白線距離越來越小的測試圖為基礎。製造商通常會應要求或在資料表中提供 MTF 曲線，這些曲線有助於客觀評估鏡頭的實際性能。
實際情形下的畫素尺寸和鏡頭選擇
鏡頭的解析度必須與感光元件的畫素大小相符；只有這樣每個畫素才能正確合焦。以 5 百萬畫素感光元件為例，您需要的鏡頭實際上可以解析這 5 百萬畫素。有些鏡頭會直接以百萬畫素來表示支援的感光元件解析度；這可以簡化選擇，但無法取代使用 lp/mm 或 MTF 曲線等技術資料進行的測試。只有當感光元件解析度與鏡頭性能相符時，才能充分發揮影像處理系統的潛力。
附註：百萬畫素
許多消費性相機或智慧型手機的製造商，都會宣稱其裝置擁有特別高的畫素數。這就是向消費者暗示更高的畫素數代表更高的解析度，且能產生最佳的影像。但是，如果搭配的鏡頭不適用，畫素再高，事實上也並沒有任何幫助。高品質的鏡頭價格十分昂貴，因此許多製造商都試圖在這方面節省成本。舉例來說，就算智慧型手機的相機解析度為 2000 萬畫素，但拍出來的影像卻往往很模糊；如此高畫素的感光元件，只會使模糊的程度更加嚴重。'
但是，一台只有 500 萬畫素解析度的數位相機，如果具備高品質的鏡頭，即使其解析度明顯較低，反而能產生更銳利的影像。
對機器視覺來說，一般提供解析度在 VGA (0.3 MP) 到 5 MP 之間的感光元件；更高的解析度至少對 C-mount攝影機來說是沒有意義的，因為單一畫素太小，雜訊也太大，無法執行嚴苛的量測與檢驗任務。
3. 焦距與感光元件尺寸的互動關係
我們稱鏡頭的光學中心與焦點之間的距離為焦距。平行入射光線的所有光線都相交於焦點。因此，鏡頭的焦距 f 取決於鏡頭的折射率，並以公釐為單位。
焦距與影像效果
焦距越大，鏡頭的望能能力就越高。我們看到運動攝影師和狗仔隊總是使用巨型鏡頭，其焦距明顯比消費型相機的鏡頭大；廣角鏡頭和魚眼鏡頭的焦距則相對較小。
焦距由感光元件寬度、物體寬度和操作距離決定。大多數鏡頭供應商都在其網站上提供計算工具，您可以利用這些工具來計算焦距。
不同焦距的影像範例
圖片比較顯示出當焦距增加時，影像截面會怎麼減少，變焦效果會怎麼增加；這對於選擇正確鏡頭至關重要。 焦距必須永遠與感光元件尺寸和特定應用的設定相互吻合。
4. 光圈與光源條件
相機光圈的選擇，對影像品質和亮度有直接影響。F 數值（或 F 格數）是指焦距與光圈直徑的比率，表示光圈開啟的大小範圍。
F 數值與影像品質
高 F 值表示光圈較小，也就是落在感光元件上的光線較少。在光線不足的情況下，大光圈可讓更多的光線通過，因此具有優勢。
較小的光圈可以增加景深並減少像差，例如暈影，但可能會導致繞射模糊。這是由於光圈邊緣的光線繞射造成的，會降低影像品質。
因此，每支鏡頭都有一個最佳的 F 值，也就是最大景深與最小繞射之間的折衷。
結論： 請選擇符合您應用光源條件的光圈數值 - 既不要太大，也不要太小。
鏡頭選擇清單
在決定鏡頭之前，請檢查以下幾點：
鏡頭接環： 鏡頭的接環（例如 C-mount）是否與您的相機相容？
解析度： 鏡頭的解析度是否與感光元件的解析度相符，所有細節都能正確對焦？
焦距： 焦距是否符合感光元件尺寸和您的應用所需影像部分？
成像圈： 成像圈直徑是否涵蓋整個感光元件，且沒有暈影？
光圈： 光強度 (光圈) 是否足以符合您的環境亮度？
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