远心镜头Telecentric Lens

石鑫华视觉

远心镜头概述

1.远心镜头发展历程

　　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。

  

                               
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远心镜头

　　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。目前世界知名的镜头厂商有美国Navitar、德国施耐德、意大利Opto Engineering、日本Kowa、VST、Computar等都有远心镜头产品线。
2.什么是远心镜头

        远心镜头（Telecentric Lens），主要是为纠正传统工业镜头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。远心镜头由于其特有的平行光路设计一直为对镜头畸变要求很高的机器视觉应用场合所青睐。

远心镜头的原理优势

1.远心镜头设计原理

　　远心镜头设计目的就是消除由于被测物体（或CCD芯片）离镜头距离的远近不一致，造成放大倍率不一样。根据远心镜头分类设计原理分别为：
　　1）物方远心光路设计原理及作用：
　　物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。

   

                               
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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。

   

                               
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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。

   

                               
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双远心镜头设计原理图

2.远心镜头技术优势

　　1）优势一：高分辨率
　　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（线对每毫米）。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。而采用远心镜头，即使是配合小像素图像传感器，也能生成高分辨率图像。
　　2）优势二：真正的远心设计，超宽景深与低畸变
　　曾经有一种观点认为远心镜头主要解决畸变问题，其实，远心镜头解决的不单单是畸变问题，低畸变只是远心镜头的附加属性。远心镜头的独特光学特性：物体在视场内移动时，其在不同位置的放大率不会发生改变，决定了其在某些场和是无法采用普通工业镜头予以替代的，例如其更大的景深范围可以很好地适应现场的工作环境，这不是只通过算法就能解决的问题。
　　3）优势三：独特的平行光路设计
        设计平行光成像的远心镜头理论上并不复杂，但若想达到一定解析能力和成像质量就是另外一回事了。远心镜头的设计和制造难度确实要大于一般意义上的镜头，究其原因是由于远心镜头光学镜片的尺寸都比较大，使得边缘光线的各类相差的校正难度增大，要想获得良好的边缘视场的成像质量，需要更高的产品设计和制造精度，有很多时候是需要设计者具有比较丰富的设计经验方能实现的。
远心镜头的分类

　　远心镜头根据设计原理，主要分为物方远心镜头、像方远心镜头和两侧远心镜头。
1. 物方远心镜头

　　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。
2. 像方远心镜头

　　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。
3. 两侧远心镜头

　　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。

远心镜头的参数选择

1. 远心镜头技术参数

　　1）高影像分辨率
　　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（线对每毫米）。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。而采用远心镜头，即使是配合小像素图像传感器，也能生成高分辨率图像（主要是因为远心镜头一般视野都比较小，因此放大倍数比较大，即使小分辨率的相机，在小视野下也能得到较高的视觉精度）。
　　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。
2. 如何选择远心镜头

　　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。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中情况时，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。

远心镜头的应用优势

        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 Lens）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。