遠心鏡頭

發(fā)展歷程

工業(yè)鏡頭是機器視覺系統(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世紀初，隨著機器視覺系統(tǒng)在精密檢測領域的廣泛應用，普通工業(yè)鏡頭難以滿足檢測要求，為彌補普通鏡頭應用之不足，適應精密檢測需求，遠心鏡頭應運而生。

遠心鏡頭依據(jù)其獨特的光學特性：高分辨率、超寬景深、超低畸變以及獨有的平行光設計等，給機器視覺精密檢測帶來質的飛躍。

定義

遠心鏡頭（Telecentric），主要是為糾正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭視差而設計，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變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應用。遠心鏡頭由于其特有的平行光路設計一直為對鏡頭畸變要求很高的機器視覺應用場合所青睞。

原理優(yōu)勢編輯

遠心鏡頭設計目的就是消除由于被測物體（或CCD芯片）離鏡頭距離的遠近不一致，造成放大倍率不一樣。根據(jù)遠心鏡頭分類設計原理分別為：

1）物方遠心光路設計原理及作用：

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

2）像方遠心光路設計原理及作用：

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

3）兩側遠心光路設計原理及作用：

綜合了物方/像方遠心的雙重作用。主要用于視覺測量檢測領域。

參數(shù)選擇編輯

技術參數(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比度的CTF （對比傳遞函數(shù)）衡量，單位為lp/mm（每毫米線耦數(shù)）。大部分機器視覺集成器往往只是集合了大量廉價的低像素、低分辨率鏡頭，最后只能生成模糊的影像。而采用AFT遠心鏡頭，即使是配合小像素圖像傳感器（如5.5百萬像素, 2/3"），也能生成高分辨率圖像。

2）近乎零失真度

畸變系數(shù)即實物大小與圖像傳感器成像大小的差異百分比。普通機器鏡頭通常有高于1~2%的畸變，可能嚴重影響測量時的精確水平。相比之下，遠心鏡頭通過嚴格的加工制造和質量檢驗，將此誤差嚴格控制在0.1%以下。

3）無透視誤差

在計量學應用中進行精密線性測量時，經(jīng)常需要從物體標準正面（完全不包括側面）觀測。此外，許多機械零件并無法精確放置，測量時間距也在不斷地變化。而軟件工程師卻需要能精確反映實物的圖像。遠心鏡頭可以完美解決以上困惑：因為入射光瞳可位于無窮遠處，成像時只會接收平行光軸的主射線。

4）遠心設計與超寬景深

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

如何選擇

這些年機器視覺在中國發(fā)展迅速，大家在系統(tǒng)集成中對普通鏡頭的選型已經(jīng)有了一定了解，但是對遠心鏡頭的選型還經(jīng)常是一頭霧水，即便在技術人員的幫助下選擇完鏡頭，在使用過程中還是不知道該注意哪些問題。針對這個問題，遠心鏡頭和相機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)格大于或等于相機的靶面即可。使用過程中請留意，在遠心鏡頭的物鏡垂直下方區(qū)域范圍的都是遠心成像，而超出此范圍的區(qū)域，就不是嚴格意義上的遠心成像了，這點在實際的使用中一定要注意，否則會產(chǎn)生不必要的偏差。

客戶在選擇遠心鏡頭時，首先應明白在什么時候需要時選擇遠心鏡頭。根據(jù)遠心鏡頭原理特征及獨特優(yōu)勢，當檢查物體遇到以下6中情況時，最好選用遠心鏡頭：

1）當需要檢測有厚度的物體時（厚度>1/10 FOV直徑）；

2）需要檢測不在同一平面的物體時；

3）當不清楚物體到鏡頭的距離究竟是多少時；

4）當需要檢測帶孔徑、三維的物體時；

5）當需要低畸變、圖像效果亮度幾乎完全一致時；

6）當缺陷只在同一方向平行照明下才能檢測到時。

選擇遠心鏡頭，首先應明白遠心鏡頭相關指標對應使用條件：

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，同時得到像方尺寸，即可計算出放大倍率，然后根據(jù)產(chǎn)品列表選擇合適的像方鏡頭。選擇過程中還應注意景深指標的影響，因為像/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

遠心鏡頭主要分為物方遠心鏡頭、像方遠心鏡頭和兩側遠心鏡頭。

物方鏡頭

物方遠心鏡頭是將孔徑光闌放置在光學系統(tǒng)的像方焦平面上，當孔徑光闌放在像方焦平面上時，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，即測得的物體尺寸不會變化。物方遠心鏡頭用于工業(yè)精密測量，畸變極小，高性能的可以達到無畸變。

像方鏡頭

像方遠心鏡頭，通過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。

雙側鏡頭

雙側遠心鏡頭兼于上面兩種遠心鏡頭的優(yōu)點。在工業(yè)圖像處理中，一般只使用物方遠心鏡頭。偶爾也有使用兩側遠心鏡頭的，（當然價格更高）。而在工業(yè)圖像處理/機器視覺這個領域里，像方遠心鏡頭一般來說不會起作用的，因此這個行業(yè)基本是不用它的。

應用優(yōu)勢編輯

遠心鏡頭主要應用于精密測量。在精密光學測量系統(tǒng)中，由于普通光學鏡頭會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、不適當光源干擾下造成邊界的不確定性等問題，進而影響測量的精度。而遠心鏡頭（Telecentric鏡頭）能有效降低甚至消除上述問題，因此Telecentric鏡頭已經(jīng)成為精密光學量測系統(tǒng)決定性的組件，其應用領域也越來越廣泛。

與普通鏡頭對比編輯

遠心工業(yè)鏡頭主要是為糾正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭的視差而特殊設計的鏡頭，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隨物距的變化而變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應用。

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

1）由于被測量物體不在同一個測量平面，而造成放大倍率的不同；

2）鏡頭畸變大

3）視差也就是當物距變大時，對物體的放大倍數(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，而且沒有此性質的判斷誤差，因此可用在高精度測量、度量計量等方面。遠心鏡頭是一種高端的工業(yè)鏡頭，通常有比較出眾的像質，特別適合于尺寸測量的應用。

無論何處，在特定的工作距離，重新調(diào)焦后會有相同的放大倍率，因為遠心鏡頭的最大視場范圍直接與鏡頭的光欄接近程度有關，鏡頭尺寸越大，需要的現(xiàn)場就越大。遠心測量鏡頭能提供優(yōu)越的影像質素，畸變比傳統(tǒng)定焦鏡頭小，這種光學設計令影像面更對稱，可配合軟件進行精密測量

普通鏡頭優(yōu)點：成本低，實用，用途廣。

普通鏡頭缺點：放大倍率會有變化，有視差。

普通鏡頭應用：大物體成像。

遠心鏡頭的優(yōu)點：放大倍數(shù)恒定，不隨景深變化而變化，無視差。

遠心鏡頭的缺點：成本高，尺寸大，重量重。

遠心鏡頭的應用：度量衡方面，基于CCD方面的測量，微晶學