机器视觉应用中，检测任务常需适应不同尺寸的目标或不同级别的细节要求。频繁更换定焦镜头会显著降低系统效率与灵活性。变倍镜头因其能在不更换物理镜头的前提下，连续改变光学放大倍率，成为应对此类需求的理想解决方案。其核心价值在于通过内部光学结构的精密调整，实现视场范围的无级变化。

一、倍率调节的光学基础

光学放大倍率在机器视觉中定义为传感器像面上目标像的尺寸与实际目标尺寸之比。对于固定工作距离和图像传感器尺寸，放大倍率与镜头的焦距直接相关。其基本关系可表述为：

M ≈ f / WD   (注：在物距远大于焦距的近似条件下更精确)

因此，改变系统有效焦距是变倍镜头调节倍率的核心途径。增大焦距可缩小视场角，获得更高的放大倍率（观测更小区域、更多细节）；减小焦距则扩大视场角，获得更低的放大倍率（观测更大范围）。

二、变倍镜头的光学结构核心：镜片组协同运动

实现焦距连续变化并维持可用的成像质量，并非通过单一镜片移动完成，而是依赖于镜头内部多组光学元件的精密协同位移。其中，至少包含两个关键功能镜片组：

1、变倍组：

（1）功能： 此组镜片承担改变系统焦距的主要功能。

（2）运动方式： 沿镜头光轴方向进行线性移动。

（3）效应： 变倍组的轴向位移直接、显著地改变整个光学系统的合成焦距，从而实现放大倍率的调节。

（4）核心挑战： 单纯移动变倍组虽能改变焦距/倍率，但同时会引入严重的像面位移。清晰成像的焦平面位置会随变倍组的移动而发生显著偏移。若相机传感器位置固定，将导致图像在变倍过程中迅速失焦。

2、补偿组：

（1）功能： 此组镜片的核心作用在于补偿变倍组移动引发的像面位移。

（2）运动方式： 同样沿光轴方向移动，但其位移轨迹和速度与变倍组存在特定的非线性函数关系。

（3）效应： 补偿组根据变倍组的位置，进行精确计算后的相应位移，其作用是抵消变倍组造成的像面偏移，确保在整个变倍范围内，清晰成像的焦平面始终稳定地落在图像传感器的固定接收面上。此过程称为维持“齐焦”或“像面稳定”。

三、变倍与补偿运动的精密实现机制

为确保变倍组与补偿组（有时还包括其他辅助镜片组，如调焦组或固定组）能够在紧凑空间内实现高度同步且精确的相对运动，工业级变倍镜头主要采用以下两种成熟的机械结构：

1. 凸轮驱动结构：

（1）原理： 此为当前高性能工业变倍镜头的首选方案。镜片组被固定在镜筒内的运动滑块上。一个精加工的圆柱形凸轮筒内壁刻有复杂的三维空间曲线槽（凸轮槽）。每个镜片组的滑块上装有导向销钉，销钉嵌入对应的凸轮槽中。

（2）运动传递： 用户旋转镜头外部的变倍环（或通过电机驱动），带动凸轮筒旋转。凸轮槽的特定三维轮廓设计，将凸轮筒的旋转运动精确地转化为镜片滑块沿光轴方向的直线位移。

（3）关键设计： 变倍组和补偿组对应的凸轮槽轮廓经过严格的光学设计和优化，确保两组镜片在变倍过程中严格按照预设的非线性关系运动（即变倍组移动时，补偿组同步进行精确补偿移动）。

（4）优势： 运动传递精度高、稳定性好、重复性优异、经久耐用，能有效支撑高质量成像。

2. 直线导轨结构：

（1）原理： 变倍组和补偿组各自安装在独立的精密直线导轨上。

（2）​​​​​​​运动传递： 通过外部旋钮或电机驱动复杂的连杆机构或齿轮齿条机构，强制两组镜片沿着各自的导轨进行直线移动。

（3）​​​​​​​运动控制： 连杆或齿轮齿条的设计必须精确模拟变倍组与补偿组所需的非线性位移关系。

（4）应用与特点： 此结构在特定设计或对成本更敏感的应用中可能被采用。其结构相对直观，但对导轨的直线度、导向精度以及传动机构的刚性和消除间隙能力要求极高，以保证运动精度和成像稳定性。

四、倍率调节伴随的光学参数变化

1. 视场： 放大倍率与视场成反比关系。倍率增大，视场显著缩小；倍率减小，视场扩大。

2. 分辨率： 在传感器像元尺寸固定的前提下，提高光学放大倍率通常意味着系统能分辨更小的物体细节（即更高的空间分辨率）。但实际分辨率最终受限于光学系统的衍射极限和像差校正水平。

3. 工作距离： 大多数变倍镜头设计优先保证像面位置的稳定（齐焦）。然而，物面位置（即最佳工作距离） 通常会随倍率变化而发生一定程度的改变，尤其是在变倍范围较大的镜头中。这意味着在切换倍率后，可能需要微调镜头到被观测物体的距离以恢复最佳清晰度。高端镜头或设计优良的齐焦镜头可将此变化控制在较小范围内。

4. 景深： 景深与放大倍率的平方近似成反比。因此，在高倍率下，景深会变得非常浅，对调焦精度和系统稳定性要求更高。

5. 相对照度与F数： 变倍过程中，光线通过的光瞳位置和大小可能改变，导致镜头有效F数发生变化，进而影响到达传感器的光通量（相对照度）。这可能需要相应调整光源强度或相机曝光时间以维持图像亮度一致性。现代优质变倍镜头会努力减小这种变化。