光學檢測用工業鏡頭分享

這一篇的前面是：一些簡單有關自動光學檢測(AOI)的分享

以前剛開始接觸AOI時，主要碰到的工業用鏡頭供應商是日本的 Moritex，不知道是因為當初的代理商厲害，或者是Moritex真的厲害，還是一開始模仿的日本設備廠商用的就是 Moritex，總之，一開始接觸時就是以Moritex最多，後來陸續有Computar、Navitar、Fujinon、VS、Tonika等等。

最特別的經驗是因為用到UV Laser，加上高倍率，所以找到Mitutoyo的UV用顯微鏡頭，因為難作、特殊，一顆幾十萬，交期還長達13個月，想談價格？完全是賣方市場。

也一度因為興趣關係想自己組鏡頭，找上 Edmund Optics 的網站，有非常多光學元件，有現成的各式鏡頭，也可以自己選鏡片尺寸、材質跟鏡身進行設計，學校實驗室應該很有需要，但是很少聽說業界工程師這麼作，一方面應該是因為Edmunds的東西其實不便宜，要自己兜還不如買現成，加上台灣代理商都有借測的服務，可以減少選錯、買錯、裝不好的問題。
後來的工作將近十年沒碰這個領域，因此我熟悉的工業用鏡頭品牌就是這幾個。

基本上Moritex還是算一般常用規格的工業鏡頭大廠，可以先參考看看其資料，如果去查Moritex網站，會看到在一般光學檢測應用上常用的 FA 跟 Telecentric (遠心鏡)兩大類：

圖片來源：Moritex，FA ML-MCHR鏡頭

FA是Factory Automation的縮寫，也就是應用在工廠自動化的鏡頭。

圖片來源：Moritex，MMLHR鏡頭

另外一種遠心鏡的好處是當在鏡頭軸線上移動被檢測物件時，物件的大小不會因為物件與鏡頭距離改變而產生變化(也要搭配適合的平行光源)，通常遠心鏡比FA鏡頭會貴上不少費用，但是在某些應用上，例如厚度比較厚的被檢物，用遠心鏡就會比FA鏡頭容易取得品質好的影像。

兩件物品大小相同，但是放置的位置一前一後，用CAD軟體的檢視功能(Perspective/Orhtographic) 來模擬遠心鏡的效果：

遠心鏡45度俯視

FA鏡45度俯視

遠心鏡前視圖

FA鏡頭前視圖，很明顯放在比較遠的地方，物體看起來是縮小的

FA的鏡頭發展最早也最多，基本上監視攝影用(CCTV)的鏡頭也可以歸類在這個類型中，不過設備檢測用的跟監視攝影用的訴求不太一樣，監視攝影用的鏡頭要求廣視角，看到的東西多，價格要低，這樣才能大量佈到建物跟道路上使用；CCTV鏡頭主要用途是監看，對影像的細節要求比較不高，另外是光線常常是在不受控制的環境下，變化大，還有基本上除了人以外，其他各式各樣的物件也都有可能出現在視野中；規格上通常以焦距表示，例如8mm、12mm等等，但是因為相對便宜，也經常被拿來搭配延伸環改變對焦位置與倍率給工業檢測用。

相對的工業用鏡頭通常是用來檢測物件的尺寸、瑕疵等用途，所以需要能夠辨識細節，例如精細的尺寸，甚至微米等級瑕疵的檢出，所以焦距通常會比較長，從25、35、50、75mm都有；另外物件與光源通常變化很有限，會控制在一定的範圍內；但是設備檢測通常需要高解析、低變形的鏡頭，對鏡片品質的要求也比較高，有時候還需配合可見光之外的光源。
因為需要計算理論上的光學解析度，所以需要考慮可辨識範圍(或視野範圍，FOV，Field of View)需求，搭配相機來決定鏡頭倍率，所以在規格上除了焦距以外，也經常會以鏡頭倍率 、工作距離與適用相機感測器尺寸，解析度等來表示。

其中要注意的是適用感測器尺寸，鏡頭鏡片跟鏡身大小會影響到有效的視角大小，當感測器尺寸比較大時，除了邊緣可能出現影像扭曲，更常見的是暗角，也就是四個角落出現鏡身造成的陰影，所以感測器越大，就需要配合更大的鏡片與鏡頭口徑；這時候C-mount(25.4mm 32TPI 外螺紋)就不夠用，必須用到M42甚至更大的接口。

相同口徑鏡頭、不同大小感測器暗角示意圖

其他像光圈大小跟入光量有關，號碼越小，入光量越多，所需曝光時間越短，對動態或高速取像影響很大。
解析能力跟鏡頭有效區域以及加工精度、鏡頭材質的折射率、使用光源波長都有關係，如果感測器的像素尺寸越小(感測器解析度高)，通常就需要高解析能力的鏡頭，不然就會出現取到的影像沒有扭曲但是卻不是很清晰的狀況。

鏡頭口徑越大、材質越特別、解析度越高、光圈越大都會使鏡頭價格越貴。

現在因為解析度越作越高、尺寸越作越大、加上Line scan CCD長度長，鏡頭口徑跟接口也陸續出現不同規格，不過因為特殊規格鏡頭數量遠比不上既有的C Mount規格FA跟遠心鏡，因此價格通常不便宜，而且少有庫存品而採收單製作模式，在費用管控與交期上需要特別注意。

雖然新進的鏡頭廠商相對老廠商在商品項目必須要有不同特性訴求，但是我懷疑這些鏡頭廠商有能力自己做鏡片跟研磨加工，很多應該是買光學鏡片廠的產品回來加上鏡身、組裝測試檢驗後拿出來賣，就像相機廠買Sony、Toshiba、On Semi等感測晶片廠的晶片回來加上電路跟外殼。

但是鏡片品質的管控、零件的加工品質與成本、組裝精度與校正測試能力都會影像到鏡頭的最終品質。

有需要其實就跟鏡頭代理商聯繫借鏡頭測試看看，應該會比較快找到需要的鏡頭。

備註：
原本以為台灣沒有廠商投入在工業用鏡頭領域，無意間輸入遠心鏡查詢找到一家台灣廠商以遠心鏡為主力產品，專攻一些低倍率大口徑的遠心鏡檢測應用，網站上列出來的產品令人驚豔，有機會真想拿來試試…
更正：
後來發現是對岸製品，真令人傷心，台灣比對岸早開始作AOI，但是在關鍵零組件的發展上，在相機、鏡頭兩個領域都被對岸遠遠拋開一段距離，真是可惜，只怪台灣商人都只想賺Easy Money，二、三十年過去賣鏡頭、相機、光源的，都還是在賣鏡頭、相機、光源，沒看到有投入生產製造的，。

後續有一篇跟鏡頭有關的：工業用鏡頭延伸環倍率計算

工業用鏡頭參考廠商：
日系：
Moritex，FA鏡頭為主。
Computar，CCTV、FA、Telecentric鏡頭為主，老牌子。
Fujifilm，以消費性為主，工業用鏡頭不多。
Kowa，FA鏡頭為主。
Myutron，FA鏡頭為主。
Navitar，鏡頭種類很多可以選，但是有一些是跟其他鏡頭廠合作，如Kowa。
Tochigi(Nikon)，可以說是專攻Line Scan Image Sensor用鏡頭(大視野範圍，Image Circle ~86.4)。
Optart，鏡頭種類多，但是有一些跟其他廠商合作，例如Opto-Engineer。
Spacecom，CCTV、FA鏡頭為主。
Tokina，消費性、CCTV、FA鏡頭為主。
VS(輝視)，少數在台灣直接設有分公司的日本鏡頭廠商，所以經銷商都不幫他賣了...

中國：
Chiopt，除了工業用鏡頭還有監控、消費等其他，種類算多。

其他
Opto-Engineer(義)，作鏡頭同時又跟其他AOI元件廠商配合，甚至連鏡頭都會跟其他廠商配合著賣，低倍率(大FOV)的遠心鏡是強項。

SPO(韓)
泓邦(台)，看網頁有自製Line Scan鏡頭，也有代理 Tochigi Nikon 的 Rayfact 鏡頭。