遠(yuǎn)心鏡頭

發(fā)展歷程

工業(yè)鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)中十分重要的成像元件，系統(tǒng)若想完全發(fā)揮其功能，工業(yè)鏡頭必須要能夠滿足要求才行。21世紀(jì)初，隨著機(jī)器視覺系統(tǒng)在精密檢測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，普通工業(yè)鏡頭難以滿足檢測(cè)要求，為彌補(bǔ)普通鏡頭應(yīng)用之不足，適應(yīng)精密檢測(cè)需求，遠(yuǎn)心鏡頭應(yīng)運(yùn)而生。

遠(yuǎn)心鏡頭依據(jù)其獨(dú)特的光學(xué)特性：高分辨率、超寬景深、超低畸變以及獨(dú)有的平行光設(shè)計(jì)等，給機(jī)器視覺精密檢測(cè)帶來(lái)質(zhì)的飛躍。

定義

遠(yuǎn)心鏡頭（Telecentric），主要是為糾正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭視差而設(shè)計(jì)，它可以在一定的物距范圍內(nèi)，使得到的圖像放大倍率不會(huì)變化，這對(duì)被測(cè)物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。遠(yuǎn)心鏡頭由于其特有的平行光路設(shè)計(jì)一直為對(duì)鏡頭畸變要求很高的機(jī)器視覺應(yīng)用場(chǎng)合所青睞。

原理優(yōu)勢(shì)編輯

遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)目的就是消除由于被測(cè)物體（或CCD芯片）離鏡頭距離的遠(yuǎn)近不一致，造成放大倍率不一樣。根據(jù)遠(yuǎn)心鏡頭分類設(shè)計(jì)原理分別為：

1）物方遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)原理及作用：

物方遠(yuǎn)心光路是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上，物方主光線平行于光軸主光線的會(huì)聚中心位于物方無(wú)限遠(yuǎn)，稱之為：物方遠(yuǎn)心光路。其作用為：可以消除物方由于調(diào)焦不準(zhǔn)確帶來(lái)的，讀數(shù)誤差。

2）像方遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)原理及作用：

像方遠(yuǎn)心光路是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的物方焦平面上，像方主光線平行于光軸主光線的會(huì)聚中心位于像方無(wú)限遠(yuǎn)，稱之為：像方遠(yuǎn)心光路。其作用為：可以消除像方調(diào)焦不準(zhǔn)引入的測(cè)量誤差。

3）兩側(cè)遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)原理及作用：

綜合了物方/像方遠(yuǎn)心的雙重作用。主要用于視覺測(cè)量檢測(cè)領(lǐng)域。

參數(shù)選擇編輯

技術(shù)參數(shù)

1）高影像分辨率

圖像分辨率一般以量化圖像傳感器既有空間頻率對(duì)比度的CTF （對(duì)比傳遞函數(shù)）衡量，單位為lp/mm（每毫米線耦數(shù)）。大部分機(jī)器視覺集成器往往只是集合了大量廉價(jià)的低像素、低分辨率鏡頭，最后只能生成模糊的影像。而采用AFT遠(yuǎn)心鏡頭，即使是配合小像素圖像傳感器（如5.5百萬(wàn)像素, 2/3"），也能生成高分辨率圖像。

2）近乎零失真度

畸變系數(shù)即實(shí)物大小與圖像傳感器成像大小的差異百分比。普通機(jī)器鏡頭通常有高于1~2%的畸變，可能嚴(yán)重影響測(cè)量時(shí)的精確水平。相比之下，遠(yuǎn)心鏡頭通過(guò)嚴(yán)格的加工制造和質(zhì)量檢驗(yàn)，將此誤差嚴(yán)格控制在0.1%以下。

3）無(wú)透視誤差

在計(jì)量學(xué)應(yīng)用中進(jìn)行精密線性測(cè)量時(shí)，經(jīng)常需要從物體標(biāo)準(zhǔn)正面（完全不包括側(cè)面）觀測(cè)。此外，許多機(jī)械零件并無(wú)法精確放置，測(cè)量時(shí)間距也在不斷地變化。而軟件工程師卻需要能精確反映實(shí)物的圖像。遠(yuǎn)心鏡頭可以完美解決以上困惑：因?yàn)槿肷涔馔晌挥跓o(wú)窮遠(yuǎn)處，成像時(shí)只會(huì)接收平行光軸的主射線。

4）遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)與超寬景深

雙遠(yuǎn)心鏡頭不僅能利用光圈與放大倍率增強(qiáng)自然景深，更有非遠(yuǎn)心鏡頭無(wú)可比擬的光學(xué)效果：在一定物距范圍內(nèi)移動(dòng)物體時(shí)成像不變，亦即放大倍率不變。

如何選擇

這些年機(jī)器視覺在中國(guó)發(fā)展迅速，大家在系統(tǒng)集成中對(duì)普通鏡頭的選型已經(jīng)有了一定了解，但是對(duì)遠(yuǎn)心鏡頭的選型還經(jīng)常是一頭霧水，即便在技術(shù)人員的幫助下選擇完鏡頭，在使用過(guò)程中還是不知道該注意哪些問題。針對(duì)這個(gè)問題，遠(yuǎn)心鏡頭和相機(jī)的匹配選擇原則和普通工業(yè)鏡頭是一樣的，只要其靶面的規(guī)格大于或等于相機(jī)的靶面即可。使用過(guò)程中請(qǐng)留意，在遠(yuǎn)心鏡頭的物鏡垂直下方區(qū)域范圍的都是遠(yuǎn)心成像，而超出此范圍的區(qū)域，就不是嚴(yán)格意義上的遠(yuǎn)心成像了，這點(diǎn)在實(shí)際的使用中一定要注意，否則會(huì)產(chǎn)生不必要的偏差。

客戶在選擇遠(yuǎn)心鏡頭時(shí)，首先應(yīng)明白在什么時(shí)候需要時(shí)選擇遠(yuǎn)心鏡頭。根據(jù)遠(yuǎn)心鏡頭原理特征及獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，當(dāng)檢查物體遇到以下6中情況時(shí)，最好選用遠(yuǎn)心鏡頭：

1）當(dāng)需要檢測(cè)有厚度的物體時(shí)（厚度>1/10 FOV直徑）；

2）需要檢測(cè)不在同一平面的物體時(shí)；

3）當(dāng)不清楚物體到鏡頭的距離究竟是多少時(shí)；

4）當(dāng)需要檢測(cè)帶孔徑、三維的物體時(shí)；

5）當(dāng)需要低畸變、圖像效果亮度幾乎完全一致時(shí)；

6）當(dāng)缺陷只在同一方向平行照明下才能檢測(cè)到時(shí)。

選擇遠(yuǎn)心鏡頭，首先應(yīng)明白遠(yuǎn)心鏡頭相關(guān)指標(biāo)對(duì)應(yīng)使用條件：

1）物方尺寸------拍攝范圍。

2）像方尺寸------使用的CCD的靶面大小。

3）工作距離------物方鏡頭前表面距離拍攝物的距離。

4）分辨率---------使用的CCD像素大小。

5）景深------------鏡頭能成清晰像的范圍。像/物倍率越大景深越小。

6）接口------------照相機(jī)接口，多為C，T等接口。

根據(jù)使用情況（物體尺寸和需要的分辨率）選擇物方尺寸合適的物方鏡頭和CCD或CMOS相機(jī)，同時(shí)得到像方尺寸，即可計(jì)算出放大倍率，然后根據(jù)產(chǎn)品列表選擇合適的像方鏡頭。選擇過(guò)程中還應(yīng)注意景深指標(biāo)的影響，因?yàn)橄?物倍率越大景深越小，為了得到合適的景深，可能還需要重新選擇鏡頭。

基本分類編輯

遠(yuǎn)心鏡頭主要分為物方遠(yuǎn)心鏡頭、像方遠(yuǎn)心鏡頭和兩側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭。

物方鏡頭

物方遠(yuǎn)心鏡頭是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上，當(dāng)孔徑光闌放在像方焦平面上時(shí)，即使物距發(fā)生改變，像距也發(fā)生改變，但像高并沒有發(fā)生改變，即測(cè)得的物體尺寸不會(huì)變化。物方遠(yuǎn)心鏡頭用于工業(yè)精密測(cè)量，畸變極小，高性能的可以達(dá)到無(wú)畸變。

像方鏡頭

像方遠(yuǎn)心鏡頭，通過(guò)在物方焦平面上放置孔徑光闌，使像方主光線平行于光軸，從而雖然CCD芯片的安裝位置有改變，在CCD芯片上投影成像大小不變。

雙側(cè)鏡頭

雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭兼于上面兩種遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)圖像處理中，一般只使用物方遠(yuǎn)心鏡頭。偶爾也有使用兩側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭的，（當(dāng)然價(jià)格更高）。而在工業(yè)圖像處理/機(jī)器視覺這個(gè)領(lǐng)域里，像方遠(yuǎn)心鏡頭一般來(lái)說(shuō)不會(huì)起作用的，因此這個(gè)行業(yè)基本是不用它的。

應(yīng)用優(yōu)勢(shì)編輯

遠(yuǎn)心鏡頭主要應(yīng)用于精密測(cè)量。在精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中，由于普通光學(xué)鏡頭會(huì)存在一定的制約因素，如影像的變形、視角選擇而造成的誤差、不適當(dāng)光源干擾下造成邊界的不確定性等問題，進(jìn)而影響測(cè)量的精度。而遠(yuǎn)心鏡頭（Telecentric鏡頭）能有效降低甚至消除上述問題，因此Telecentric鏡頭已經(jīng)成為精密光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)決定性的組件，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。

與普通鏡頭對(duì)比編輯

遠(yuǎn)心工業(yè)鏡頭主要是為糾正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭的視差而特殊設(shè)計(jì)的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內(nèi)，使得到的圖像放大倍率不會(huì)隨物距的變化而變化，這對(duì)被測(cè)物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。

普通工業(yè)鏡頭目標(biāo)物體越靠近鏡頭（工作距離越短），所成的像就越大。在使用普通鏡頭進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)，會(huì)存在如下問題：

1）由于被測(cè)量物體不在同一個(gè)測(cè)量平面，而造成放大倍率的不同；

2）鏡頭畸變大

3）視差也就是當(dāng)物距變大時(shí)，對(duì)物體的放大倍數(shù)也改變；

4）鏡頭的解析度不高；

5）由于視覺光源的幾何特性，而造成的圖像邊緣位置的不確定性。

而遠(yuǎn)心鏡頭就可以有效解決普通鏡頭存在的上述問題，而且沒有此性質(zhì)的判斷誤差，因此可用在高精度測(cè)量、度量計(jì)量等方面。遠(yuǎn)心鏡頭是一種高端的工業(yè)鏡頭，通常有比較出眾的像質(zhì)，特別適合于尺寸測(cè)量的應(yīng)用。

無(wú)論何處，在特定的工作距離，重新調(diào)焦后會(huì)有相同的放大倍率，因?yàn)檫h(yuǎn)心鏡頭的最大視場(chǎng)范圍直接與鏡頭的光欄接近程度有關(guān)，鏡頭尺寸越大，需要的現(xiàn)場(chǎng)就越大。遠(yuǎn)心測(cè)量鏡頭能提供優(yōu)越的影像質(zhì)素，畸變比傳統(tǒng)定焦鏡頭小，這種光學(xué)設(shè)計(jì)令影像面更對(duì)稱，可配合軟件進(jìn)行精密測(cè)量

普通鏡頭優(yōu)點(diǎn)：成本低，實(shí)用，用途廣。

普通鏡頭缺點(diǎn)：放大倍率會(huì)有變化，有視差。

普通鏡頭應(yīng)用：大物體成像。

遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)點(diǎn)：放大倍數(shù)恒定，不隨景深變化而變化，無(wú)視差。

遠(yuǎn)心鏡頭的缺點(diǎn)：成本高，尺寸大，重量重。

遠(yuǎn)心鏡頭的應(yīng)用：度量衡方面，基于CCD方面的測(cè)量，微晶學(xué)