AOI 不停线切换倍率：电动变倍镜头的选型与集成

一句话答案：AOI 设备通常在同一块产品上要看两个尺度 —— 先用大视野找到目标区域，再用小视野确认缺陷。电动变倍镜头让同一个相机位同时具备这两种视野，并且可以按配方在产品之间切换倍率，不需要机械换镜头。决定它能不能上你的产线的，不是变倍比，而是三件事：换倍率要花多久、每次回到同一倍率是否可重复、换倍率过程中工件是否还在视野内。本文把这三件事讲清楚，并附上 POMEAS 6.5 倍与 12.5 倍电动变倍系列已公开的实测规格。

1. AOI 为什么要「两档倍率」

自动光学检测很少只用一个倍率运行，因为同一块板上的两类任务，对光学的要求正好相反：

• 找目标（元件、基准点、连接器、感兴趣区域）需要大视野：一次曝光覆盖整个器件，并且能容忍机械手带来的几毫米定位误差。
• 确认缺陷（虚焊、微裂纹、少锡、异物）需要物方分辨率落到个位数微米，这必然对应小视野。

如果配两支定焦镜头，要么两个相机、两个工位，要么把工件在两个工位之间搬运。如果只配一支定焦，就得在两个任务里放弃一个。电动变倍镜头是第三条路：一个相机、一条光轴、若干倍率档位，由 AOI 软件按配方选择。

这也是为什么 AOI 会直接出现在 POMEAS 电动连续变倍家族的公开应用清单里（半导体、电子、AOI、自动化机器视觉）。它不是一个显微镜配件，而是一个「倍率可寻址」的检测工位部件。

2. 「不停线」到底要求什么

「不停线切换倍率」经常被当成一个数字来问。实际上它是三个会各自独立失效的要求：

要求	物理含义	典型失效方式
换倍率时间落在节拍内	换倍率必须在该动作预留的时间窗内完成，包含稳定时间和重新曝光。	机构动得很快，但软件里写的是一个保守的固定延时；或者换倍率指令与曝光同时发出，这一帧废掉。
倍率可重复	配方每次要求「高倍率」时，光学倍率必须回到同一个值，而不只是「接近」。	没有位置反馈的开环驱动会漂移，测量配方跟着一起漂，而且不报错。
工件仍在视野内	变倍会大幅改变视野，低倍率找到的特征在高倍率下必须仍在画面里。	变倍轴与光轴的同轴度不足，视场中心随倍率「跑」，表现为偶发的「找不到目标」。

三条里只有第一条是「速度」问题，而它恰恰是被问得最多的那一条。第二条会静默地污染良率数据，第三条会造成间歇性故障报警。

3. 换倍率时间由哪几部分组成

POMEAS 不对变倍镜头发布单一的「换倍率时间」数值，因为任何写成单值的说法，描述的其实都是某个特定控制器 + 特定行程 + 特定负载的组合。规划产线的正确做法是把这段时间拆开，然后在自己的设备上实测。它至少包含五部分：

#	组成	由什么决定	能不能压缩
1	指令传输与解析	RS-232 波特率、指令队列深度、PLC 扫描周期	可以 —— 提高波特率，或让串口直连而不是经过轮询式网关
2	电机行程	变倍行程与控制器设定的驱动速度	可以 —— 但压到一定程度后，超调与稳定时间会反过来主导
3	闭环稳定时间	伺服整定、变倍机构的机械间隙	部分可以 —— 这正是导轨式或闭环设计值钱的地方
4	光学稳定	电机停下后光学组的残余移动	基本不能 —— 这是镜头的机械属性
5	重新曝光与重判	新倍率下的曝光时间，加上 AOI 算法耗时	部分可以 —— 高倍率通常要更多光，曝光反而变长

第 1 至第 3 项是镜头供应商能影响的，第 4、5 项通常属于设备商和 AOI 软件商。这也说明：一个不带控制器与相机参数的「换倍率时间」数值，无法用于产线节拍规划。

在自己设备上怎么测：给「请求新倍率」这个触发打时间戳，再给 AOI 软件判定为「新倍率下有效」的那一帧打时间戳，两者相减，至少做十个循环，记录最差值而不是平均值。十个循环同时也是倍率重复性的验收方法，见第 6 节。

4. 手动 / 定格定倍 / 电动：AOI 线上怎么选

三类变倍方式 POMEAS 都有，它们在自动化产线上不能互换。

类型	倍率如何设定	AOI 线上的典型角色	主要限制
电动变倍	电机驱动变倍组，通常闭环控制，由配方或 PLC 下达位置指令。	配方驱动的倍率切换、一个工位多品种、每张图都记录倍率。	需要控制接口和在设备时序中占位，成本更高。
定格定倍	变倍环在固定档位内卡位，每个档位机械可重复。	只有两三个固定配方、由操作员或简单执行机构选档的线。	只能用卡位档，不能连续变倍。
手动变倍	操作员转动变倍环；部分型号仍可通过 RS-232 回传倍率位置。	调试、实验室、低产量工位；也是「手动升级到电动」的过渡形态。	不适合无人值守，重复性取决于人。

有一个很实用的中间形态：手动变倍 + 电子倍率反馈。变倍动作仍然由人做，但镜头通过 RS-232 上报自己的倍率位置，于是 AOI 软件依然能给每张图标注当时的倍率。这解决了可追溯性，但没有解决无人值守切换。

5. 重复性比变倍比更重要

变倍比是宣传口径 —— 6.5:1 或 12.5:1 —— 但它只说明倍率范围有多宽。对 AOI 产线真正决定配方是否长期有效的，是倍率重复性：反复回到同一档位时，实测倍率的离散程度。

原因是算术层面的。每个测量配方都用「拍摄时的倍率」把像素换算成毫米。如果实际倍率与配方假设值差 2%，一个 1 mm 的特征会被报成 0.98 mm 或 1.02 mm —— 误差 20 μm，比绝大多数 AOI 缺陷公差都大。

这正是闭环设计的意义。以 LZL-650104 为例，公开规格写明变倍方式为电动变倍、驱动方式为直流伺服电机、控制系统为闭环控制、控制接口为 RS-232（单轴或双轴）。闭环不是为了更快，而是为了让被指令的倍率可复现。

验收方法：把镜头指令到某一倍率、拍照、测量已知标件，再回到大视野档，然后回到同一倍率；重复十次，报告实测尺寸的最大偏差而不是平均值。同样的十循环逻辑在 POMEAS 变倍系列通用，电动系列另有单独文档说明。

6. 控制与集成：RS-232、SDK 与 PLC 触发

在 AOI 设备里，变倍镜头就是一个运动轴，它的调试方式和相机、光源控制器是同一类事情：

• RS-232 是电动系列的标准接口。LZL-650104 公开规格为 RS-232 接口、支持单轴或双轴控制；也就是说一个串口可以同时驱动变倍与调焦（双轴机型）。
• 软件 SDK 是 AOI 程序跑在 PC 上时的常规做法。SDK 把倍率暴露成一个可设参数，于是 AOI 配方可以把倍率与曝光、光源值存在一起。
• PLC 触发 是设备时序在 PLC 里时的常规做法。相机由设备触发，那么镜头也应当在同一时序里、在曝光之前被指令到位，而不是与曝光并行发出。

现场问题最多的集成细节是触发。如果换倍率指令与相机触发同时发出，相机可能在光学组还没稳定时就曝光了。可靠的做法是：先下换倍率指令，等镜头回传到位（或用在自己设备上实测出来的保守固定延时），再触发相机。

7. 靶面匹配：6.5 倍与 12.5 倍家族到底覆盖多大

这里是最常被说错的一点，所以说精确一些：

• POMEAS 6.5 倍电动变倍系列（如 LZL-650104、PMS-LZ-650110-Z12、PMS-LZG-63105-A）公开的最大兼容传感器为 2/3 英寸，镜头接口为 C 接口。
• POMEAS 12.5 倍电动连续变倍系列（如 PMS-LZL-12104-D1、PMS-LZL-12110-Z12）公开的最大兼容传感器同样为 2/3 英寸，C 型接口，采用远心光路设计。
• 更大靶面由单独系列覆盖 —— 例如面向 1 英寸传感器的 4K 变倍镜头系列，以及各自对应靶面的远心测量镜头。1.1 英寸相机应对照为它规定的那一系列，而不是套用 2/3 英寸的变倍镜头。

把 2/3 英寸的镜头装到更大靶面上，像圈盖不到四角，你实际得到的是镜头给的视野，而不是传感器的视野。正确的匹配规则是：像圈至少等于靶面对角线，并且要留余量 —— 绝不能正好相等。

8. 倍率、视野与物方分辨率

AOI 规格里经常被混为一谈的是三个量。它们相关，但不能互相替代：

• 光学倍率：像与物的比例，就是变倍环或电机改变的那个量。LZL-650104 为 0.7X–4.5X；12.5 倍系列为 0.58X–7.5X。
• 视野：你实际看到多大的工件，等于靶面除以倍率，所以倍率越高视野越小。直接引用公开视野表比用标称靶面推算更稳。
• 物方分辨率：镜头在物方能分辨的最小细节，是光学与孔径的属性，不是相机的属性。LZL-650104 在 0.7X 时为 11.18 μm，到 3.0X–4.5X 降至 3.95 μm。

注意最后这组数据的形态：分辨率随倍率提升，到某个点之后不再提升，因为限制因素已经从孔径转移到别处。也就是说，检测某个尺寸的缺陷存在一个「够用倍率上限」；超过它只会损失视野，不会再增加检测能力。这个权衡在「放大不等于分辨率」一文中展开。

9. 照明必须跟着倍率变

换倍率同时也是换照明，这是 AOI 变倍工位最常被低估的一环。

• 最宽档与最窄档之间，视野可能相差十倍以上。按大视野选的环形光，到高倍率档会变成一个很小的亮斑，画面外围直接变暗。
• 这些镜头的工作距离由型号固定 —— LZL-650104 为 82±2 mm、PMS-LZG-63105-A 为 87±2 mm、12.5 倍系列为 77.4±2 mm —— 所以照明几何要在这个距离上一次性布置好，同时满足两档。
• 高倍率通常对应更大的 F 数，画面更暗，曝光要加长。这又会反馈到第 3 节的换倍率时间上。

实用原则是：照明按你打算使用的最窄档来选，然后在最宽档上检查均匀性。至于某种表面该用哪种照明 —— 背光、同轴、穹顶还是低角度 —— 是另一个决定，应当在镜头定型之前就做完。

10. 公开规格：6.5 倍电动连续变倍（LZL-650104）

参数	规格
光学倍率	0.7X–4.5X
变倍比	6.5
工作距离	82±2 mm
最大兼容传感器	2/3 英寸
镜头接口	C 接口
变倍方式	电动变倍
控制接口	RS-232
控制方式	单轴或双轴控制
驱动方式	直流伺服电机
控制系统	闭环控制
产品重量	约 0.067 kg
适用行业	半导体、电子通信、工业自动化

同型号在英文站的公开光学参数（分档）：

参数项	规格
光学分辨率	11.18 μm（0.7X）– 3.95 μm（3.0X–4.5X）
景深	1.9 mm（0.7X）– 0.1 mm（4.5X）
数值孔径 N.A.	0.03 – 0.085
F 数	11.6 – 26.5
TV 畸变	0.019% – 0.035%

2/3 英寸靶面下的视野（公开值）：

倍率	视野（对角 × 水平 × 垂直，mm）
0.7X	15.71 × 12.57 × 9.43
1.0X	11.00 × 8.80 × 6.60
1.5X	7.33 × 5.87 × 4.40
2.0X	5.50 × 4.40 × 3.30
2.5X	4.40 × 3.52 × 2.64
3.0X	3.67 × 2.93 × 2.20
3.5X	3.14 × 2.51 × 1.89
4.0X	2.75 × 2.20 × 1.65
4.5X	2.44 × 1.96 × 1.47

11. 公开规格：6.5 倍电动导轨变倍（PMS-LZG-63105-A）

当变倍轴的同轴度比速度更重要时，应当看导轨式机型：光学组沿机械导轨移动，而不是只在镜筒内运动。

参数项目	参数值
产品型号	PMS-LZG-63105-A
变倍比	6.5X
光学倍率	0.7X—4.5X
变倍方式	电动连续变倍
镜头结构	导轨式结构
工作距离	87±2 mm
最大兼容传感器	2/3 英寸
相机接口	C 型接口
景深范围	约 0.10—1.90 mm
数值孔径	约 0.03—0.085
理论分辨率	约 3.95—11.18 μm
TV 畸变	约 0.001%—0.035%

12. 公开规格：12.5 倍电动连续变倍（PMS-LZL-12104-D1 / PMS-LZL-12110-Z12）

当 AOI 要求跨越很宽的范围 —— 整器件视野加上亚毫米细节 —— 12.5 倍系列可以用一组光学件覆盖。

参数	PMS-LZL-12104-D1	PMS-LZL-12110-Z12
变倍比	12.5	12.5
光学倍率	0.58X–7.5X	0.58X–7.5X
工作距离	77.4±2 mm	77.4±2 mm
最大兼容传感器	2/3 英寸	2/3 英寸
镜头接口	C 型接口	C 型接口
变倍方式	电动变倍	电动连续变倍
焦点调整	—	12 mm 电动微调
控制接口	—	RS-232
视野范围	约 1.47–18.33 mm	1.47–18.33 mm
光学设计	远心光路	远心光路
最高数值孔径	0.11	—
最高分辨率	约 3.05 μm	—

这张表里有两点值得单独读出来。第一，公开视野范围约为 1.47 mm 到 18.33 mm，正好覆盖 AOI 工位「整器件 → 细节」的范围。第二，工作距离在整个倍率范围内保持 77.4±2 mm 不变，因此换倍率时夹具和照明不需要跟着动 —— 正是这一条让变倍镜头能在既有工位上落地。

13. 算例：一支电动变倍替代两支定焦

某传送带式 AOI 工位检测已贴装电路板，工程需求被写成两个视野：

• 找目标视野需覆盖工件对角约 18 mm，用于定位连接器并生成感兴趣区域；
• 确认视野需分辨最小关注缺陷，规格为几微米量级。

第一步 —— 核对视野范围。PMS-LZL-12104-D1 公开视野范围约为 1.47–18.33 mm，所需的 18 mm 找目标视野落在范围之内。

第二步 —— 核对能给出找目标视野那一档的分辨率。以 6.5 倍家族的公开分档表为例：0.7X 时 2/3 英寸靶面下视野为 15.71 × 12.57 mm，公开光学分辨率为 11.18 μm；到 3.0X 及以上，视野收窄到 3.67 × 2.93 mm，分辨率触底于 3.95 μm。

第三步 —— 定出满足缺陷规格的倍率。由于分辨率在 3.0X 到 4.5X 之间不再提升、而视野持续收窄，正确答案是满足分辨率要求的最低倍率，而不是可用的最高倍率。选 4.5X 相比 3.0X，视野宽度少了约 34%，却没有换到任何额外的光学分辨率。

第四步 —— 确认工件仍在视野内。找目标视野宽 15.71 mm，3.0X 确认视野宽 3.67 mm，因此工件定位精度要好于确认视野的一半（约 1.8 mm），换倍率后特征才会留在画面内。如果机械手做不到，解决办法不是换更贵的镜头，而是在两个视野之间加一次视觉引导的轴移动。

第五步 —— 两端都检查照明。光源要在 3.67 mm 的确认视野上均匀，同时还要把 15.71 mm 的找目标视野照亮且不出现亮斑。如第 9 节所述，照明按较窄视野选定，再到较宽视野复核。

关于数据：以上使用的倍率、视野、工作距离与分辨率均为所列型号的公开规格；第三步的对比与第四步的定位公差是由这些公开数值直接推出的算术结果，并非某一客户产线的实测结果。

14. 什么时候 AOI 不该用电动变倍

电动变倍镜头是某个具体问题的性价比解法：同一个相机位要服务多个倍率。它不是通用升级项。

情况	更合适的选择	原因
工位只检测一种产品、只用一档倍率	定焦或单一倍率镜头	等于为一个从不被指令的运动轴付费。
测量公差为几微米且要求可溯源	远心测量镜头	远心镜头消除「倍率随距离变化」的误差，而变倍镜头消不掉。
缺陷本质是薄特征对背景的尺寸公差	远心镜头 + 匹配照明	这类测量取决于「边在哪里」，而不取决于放大多少。
工件高度变化超过确认倍率下的景深	自动对焦、更大景深或测高台	以 6.5 倍导轨家族为例，3.0X 档公开景深为 0.160 mm 量级，高度变化会直接失焦。
同一瞬间既要极大视野又要极高倍率	两个工位	变倍镜头本质是顺序的，无法同时又宽又窄。

15. 为 AOI 选型需要提供什么

项目	它决定了什么
相机型号与靶面尺寸	决定可用的倍率上限与各档视野。
找目标所需视野（mm）	设定倍率下限。
需确认的最小缺陷/特征（μm）	通过光学分辨率设定倍率上限。
工件高度变化（mm）	用于对照确认倍率下的景深。
可用安装距离（mm）	用于对照机型工作距离，如 77.4±2 mm、82±2 mm 或 87±2 mm。
每个配方的倍率档数	决定该用定格定倍还是连续电动。
控制环境：PC、PLC 或两者	决定走 RS-232、SDK 还是离散触发。
节拍时间与可留给换倍率的窗口	决定「顺序两视野」这一方案是否放得进循环。
工件表面与现有照明	决定现有光源能否同时服务两档倍率。

16. 选型步骤

1. 把两个（或更多）视野写成视野尺寸与最小缺陷尺寸，不要写成「放大多少倍」。
2. 用对应靶面的公开视野表，把两者折算成所需倍率范围。
3. 核对确认倍率下的光学分辨率，取满足要求的最低倍率。
4. 用该倍率下的景深对照工件高度变化。
5. 确认工作距离能放进机械空间，并且照明能布置在该距离上。
6. 确定控制方式：手动带反馈、定格定倍，还是全电动。
7. 在真实工位上做倍率重复性验收，至少十个循环，然后再冻结配方。
8. 用真实控制器与相机参数实测换倍率间隔，确认落在节拍内。

常见问题 FAQ

电动变倍镜头能在产线不停机的情况下切换倍率吗？

可以，前提是设备时序为它预留了时间窗。换倍率是变倍组的受控运动：AOI 软件下达新倍率指令，等镜头到位，然后触发相机。这期间产线仍在运动，但被检测的工件必须落在新倍率的视野内 —— 这也是选型步骤里要核对视野的原因。

AOI 产线上一次换倍率需要多久？

不存在适用于所有配置的单一数值，给出单一数值的说法，描述的其实是某个特定控制器、行程与相机设置。这段时间由五部分相加：指令传输与解析、电机行程、闭环稳定时间、光学残余稳定，以及重新曝光。正确做法是在自己的设备上实测：给换倍率指令与之后第一帧被判定有效的图像分别打时间戳，至少十个循环，取最差值。

换倍率之后图像还会保持对焦吗？

齐焦性 —— 在整个倍率范围内保持对焦 —— 是光学设计与镜头调校的属性。齐焦的变倍镜头在档位之间不需要补对焦；不齐焦的则需要。对于无人值守切换倍率的工位，齐焦性应当作为「需要验证」的要求，而不是默认成立，通常要在真实相机、真实工作距离上实测。

每次换倍率都要重新标定吗？

各档位的光学倍率由镜头本身固定，不需要每个循环重测。需要一次建立的是每个档位的倍率值，供测量配方把像素换算成毫米；此后这个值由镜头的重复性来保证。这正是第 5 节的重复性验收比标称变倍比更重要的原因。

一支电动变倍镜头能替代 AOI 设备上的两支定焦吗？

当两支定焦的差别主要是视野、且所需光学分辨率在较低倍率档就能达到时，可以替代。当两个任务之一是微米级公差的尺寸测量时不能替代，因为这类测量通常需要远心镜头，而不是更高的倍率。

倍率重复性应该要求到什么程度？

应当把它写成「反复回到同一档位时实测倍率允许的偏差」，并且要求在你自己工位上实测给出，而不是引用一个通用数值。可操作的测试是十循环法：到该档位、测已知标件、离开该档、再回来，重复十次；要看的是最大偏差，不是平均值。

视野与倍率是线性关系吗？

在校正良好的变倍镜头的有效范围内，视野大致与倍率的倒数成比例，所以公开表里倍率越高视野越小。做方案时请直接使用对应你实际靶面的公开视野表，而不是用标称靶面自行推算 —— 表格里已经含了真实像圈与真实倍率。

6.5 倍电动变倍镜头能覆盖多大靶面？

POMEAS 6.5 倍电动变倍系列（含 LZL-650104、PMS-LZ-650110-Z12、以及导轨式 PMS-LZG-63105-A）公开的最大兼容传感器为 2/3 英寸，C 接口。12.5 倍电动连续变倍系列（如 PMS-LZL-12104-D1、PMS-LZL-12110-Z12）公开的最大兼容传感器同样为 2/3 英寸。更大靶面由单独系列覆盖，例如面向 1 英寸传感器的 4K 变倍系列；1.1 英寸相机应对照为它规定的那一系列。

换到另一档倍率之后照明还够用吗？

只有当照明是按最窄档选型时才够用。大视野档要求光源均匀覆盖更大面积；最窄档则要求同一光源不过曝。由于这些镜头的工作距离由型号固定，照明几何要在这个距离上同时满足两端。

怎样从 AOI 软件触发换倍率？

可以由检测程序经 RS-232 下发，也可以走镜头 SDK，或由 PLC 的离散输出触发。能避开常见现场问题的模式是：先下变倍指令，等位置确认（或等一个在本机实测得到的延时），之后再触发相机。把变倍指令与相机触发同时发出，相机可能在光学组仍在稳定时就完成曝光。

电动变倍镜头比定焦镜头慢吗？

按单张图算，是慢的：定焦不需要运动。按单个工件算，常常不慢 —— 依赖两支定焦的方案要么两个工位、要么增加一次重新装夹，这笔开销每个工件都要付；而变倍工位只在换倍率那一段时间付出代价。比较应按周期做，而不是按帧做。

为 AOI 选电动变倍镜头需要向 POMEAS 提供哪些信息？

请提供：相机型号与靶面尺寸、找目标所需视野（mm）、最小缺陷尺寸（μm）、工件高度变化、可用安装距离、每个配方的倍率档数、控制环境是 PC 还是 PLC，以及节拍时间和可留给换倍率的窗口。第 15 节列出了同样的清单，并说明了每一项为什么重要。

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审核：Tiger Xie