远心镜头（纠正传统工业镜头视差的镜头）

发展历程

工业镜头是机器视觉系统中十分重要的成像元件，系统若想完全发挥其功能，工业镜头必须要能够满足要求才行。21世纪初，随着机器视觉系统在精密检测领域的广泛应用，普通工业镜头难以满足检测要求，为弥补普通镜头应用之不足，适应精密检测需求，远心镜头应运而生。

远心镜头依据其独特的光学特性：高分辨率、超宽景深、超低畸变以及独有的平行光设计等，给机器视觉精密检测带来质的飞跃。

原理优势

远心镜头设计目的就是消除由于被测物体（或CCD芯片）离镜头距离得远近不一致，造成放大倍率不一样。根据远心镜头的设计原理分别为：

1）

设计原理及作用：

物方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，物方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于物方无限远，称之为：物方远心光路。其作用为：可以消除物方由于调焦不准确带来的，读数误差。

物方远心镜头设计原理图

2）像方远心光路设计原理及作用：

像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，像方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于像方无限远，称之为：像方远心光路。其作用为：可以消除像方调焦不准引入的测量误差。

像方远心镜头设计原理图

3）两侧远心光路设计原理及作用：

综合了物方/像方远心的双重作用。主要用于视觉测量检测领域。

双远心镜头设计原理图

远心镜头

参数选择

1）高

图像分辨率一般以量化图像传感器既有空间频率对比度的CTF （对比传递函数）衡量，单位为lp/mm（每毫米线耦数）。大部分机器视觉集成器往往只是集合了大量廉价的低像素、低分辨率镜头，最后只能生成模糊的影像。而采用AFT远心镜头，即使是配合小像素图像传感器（如5.5百万像素, 2/3"），也能生成高分辨率图像。

2）近乎零失真度

畸变系数即实物大小与图像传感器成像大小的差异百分比。普通机器镜头通常有高于1~2%的畸变，可能严重影响测量时的精确水平。相比之下，远心镜头通过严格的加工制造和质量检验，将此误差严格控制在0.1%以下。

3）无透视误差

在计量学应用中进行精密线性测量时，经常需要从物体标准正面（完全不包括侧面）观测。此外，许多机械零件并无法精确放置，测量时间距也在不断地变化。而软件工程师却需要能精确反映实物的图像。远心镜头可以完美解决以上困惑：因为入射光瞳可位于无穷远处，成像时只会接收平行光轴的主射线。

4）远心设计与超宽景深

双远心镜头不仅能利用光圈与放大倍率增强自然景深，更有非远心镜头无可比拟的光学效果：在一定物距范围内移动物体时成像不变，亦即放大倍率不变。

这些年机器视觉在中国发展迅速，大家在系统集成中对普通镜头的选型已经有了一定了解，但是对远心镜头的选型还经常是一头雾水，即便在技术人员的帮助下选择完镜头，在使用过程中还是不知道该注意哪些问题。针对这个问题，远心镜头和相机的匹配选择原则和普通工业镜头是一样的，只要其靶面的规格大于或等于相机的靶面即可。使用过程中请留意，在远心镜头的物镜垂直下方区域范围的都是远心成像，而超出此范围的区域，就不是严格意义上的远心成像了，这点在实际的使用中一定要注意，否则会产生不必要的偏差。

客户在选择远心镜头时，首先应明白在什么时候需要时选择远心镜头。根据远心镜头原理特征及独特优势，

当检查物体遇到以下6

情况时，最好选用远心镜头：

1）当需要检测有厚度的物体时（厚度>1/10 FOV直径）；

2）需要检测不在同一平面的物体时；

3）当不清楚物体到镜头的距离究竟是多少时；

4）当需要检测带孔径、三维的物体时；

5）当需要低畸变、图像效果亮度几乎完全一致时；

6）当缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到时。

选择远心镜头，首先应明白远心镜头相关指标对应使用条件：

1）物方尺寸------拍摄范围。

2）像方尺寸------使用的CCD的靶面大小。

3）工作距离------物方镜头前表面距离拍摄物的距离。

4）分辨率---------使用的CCD像素大小。

5）景深------------镜头能成清晰像的范围。像/物倍率越大景深越小。

6）接口------------照相机接口，多为C，T等接口。

根据使用情况（物体尺寸和需要的分辨率）选择物方尺寸合适的物方镜头和CCD或CMOS相机，同时得到像方尺寸，即可计算出放大倍率，然后根据产品列表选择合适的像方镜头。选择过程中还应注意景深指标的影响，因为像/物倍率越大景深越小，为了得到合适的景深，可能还需要重新选择镜头。

基本分类

远心镜头主要分为物方远心镜头、像方远心镜头和两侧远心镜头。

物方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，当孔径光阑放在像方焦平面上时，即使物距发生改变，像距也发生改变，但像高并没有发生改变，即测得的物体尺寸不会变化。物方远心镜头用于工业精密测量，畸变极小，高性能的可以达到无畸变。

像方远心镜头，通过在物方焦平面上放置孔径光阑，使像方主光线平行于光轴，从而虽然CCD芯片的安装位置有改变，在CCD芯片上投影成像大小不变。

双侧远心镜头兼于上面两种远心镜头的优点。在工业图像处理中，一般只使用物方远心镜头。偶尔也有使用两侧远心镜头的，（当然价格更高）。而在工业图像处理/机器视觉这个领域里，像方远心镜头一般来说不会起作用的，因此这个行业基本是不用它的。

应用优势

远心镜头主要应用于精密测量。在精密光学测量系统中，由于普通光学镜头会存在一定的制约因素，如影像的变形、视角选择而造成的误差、不适当光源干扰下造成边界的不确定性等问题，进而影响测量的精度。而远心镜头（Telecentric镜头）能有效降低甚至消除上述问题，因此Telecentric镜头已经成为精密光学量测系统决定性的组件，其应用领域也越来越广泛。

普通镜头对比

远心工业镜头主要是为纠正传统工业镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。

普通工业镜头目标物体越靠近镜头（工作距离越短），所成的像就越大。在使用普通镜头进行尺寸测量时，会存在如下问题：

1）由于被测量物体不在同一个测量平面，而造成放大倍率的不同；

2）镜头畸变大；

3）视差也就是当物距变大时，对物体的放大倍数也改变；

4）镜头的解析度不高；

5）由于视觉光源的几何特性，而造成的图像边缘位置的不确定性。

而远心镜头就可以有效解决普通镜头存在的上述问题，而且没有此性质的判断误差，因此可用在高精度测量、度量计量等方面。远心镜头是一种高端的工业镜头，通常有比较出众的像质，特别适合于尺寸测量的应用。

无论何处，在特定的工作距离，重新调焦后会有相同的放大倍率，因为远心镜头的最大视场范围直接与镜头的光栏接近程度有关，镜头尺寸越大，需要的现场就越大。远心测量镜头能提供优越的影像质素，畸变比传统定焦镜头小，这种光学设计令影像面更对称，可配合软件进行精密测量。

普通镜头优点：成本低，实用，用途广。

普通镜头缺点：放大倍率会有变化，有视差。

普通镜头应用：大物体成像。

远心镜头的优点：放大倍数恒定，不随景深变化而变化，无视差。

远心镜头的缺点：成本高，尺寸大，重量重。

远心镜头的应用：度量衡方面，基于CCD方面的测量，微晶学。