工业 远心镜头 【光学知识】 远心镜头

【光学知识】 远心镜头

大家都有这种印象，一个物体在人眼看来，会有近大远小的现象。这是因为物体近的时候，在视网膜上投影大，小的时候，投影小。镜头也是一样，因为近大远小的原因，会产生误差。特别是在做尺寸测量的时候，就尤其关键。为了解决这个问题，就产生了远心镜头。

远心镜头的主要作用之一就是作为测量镜头使用，它的主要特点是在远心视角下，没有入射角引起的测量误差，与标准镜头相比，远心透视的镜头前面的光线与光轴平行。使图像比例在整个景深范围内保持不变，可以显著减少或消除由于工作距离变化，沿光轴方向延伸的测量对象或倾斜的测量表面引起的测量误差。

在带有震动或移动机器的工业应用中，可变组件可能会成为障碍，镜头中固定光圈使理想选择。

数值孔径NA是用作远心镜头中孔径的参数

NA=n•sin(σ)

NA=物方数值孔径 n=物体空间中的折射率（空气中n=1） σ=打开角度的一半

将f值F#指定为光圈的标准

F#=近轴f数

=像侧焦距

=入射光瞳的直径

使用近轴视图，可以将两个量相互转换，确保在对象侧定义了NA，在图像侧定义了F#。

由于远心透视的缘故，因为图像比例保持恒定，而对于大多数远心系列镜头，陈述的景深是在某个光圈数下的整体景深 ，故整个镜头景深均可用于测量任务。它通常比缺陷检测需要的景深更大，因此要求图像的对比度要尽可能高。

而景深取决于图像比例、光圈以及分辨率（以下公式只是计算数据的一种方法）

与可通过改变工作距离和重新手动聚焦来更改图像比例的普通镜头相比，远心镜头的图像比例始终不变。

图像比例是通过图像尺寸除以被测对象尺寸而得到的

普通工业镜头的畸变一般在1%～2%，这样的畸变通常会影响检测精度（例如实际长度为100mm的物体，使用这种镜头测得的尺寸可能是101mm～102mm；而光虎视觉远心镜头，更注重对畸变的优化， 畸变一般都小于0.05%，超低畸变，大大提高了检测精度和稳定性，达到了目前最高标准光学测试仪器的测量极限。

典型的连接类型如下：

C-mount、F-mount、M42、M58、M72

【来源：光虎工业镜头】

工业镜头中常说的畸变、远心镜头及远心度

畸变也称为失真，是由于光阑球差的影响，不同视场的主光线通过光学系统后与高斯像面的交点高度不等于理想像高，两者之差就是畸变，简单来说就是光学系统对被摄物所成的像相对于物体本身的失真程度。因此畸变只改变轴外物点在理想面上的成像位置，使像的形状产生失真，但不影响像的清晰度。

畸变有正负之分。分为枕形畸变和桶形畸变。

畸变类型

畸变通常有两种计算方法：光学畸变（Optical distortion）和TV失真（TV distortion），其计算方法为：

如何利用镜头畸变的参数来计算测量误差？在此举例说明。

若相机芯片为2/3’(对角线为11mm,像元尺寸为3.45um), 某镜头光学畸变率为dist=0.05%， 有y=5.5mm, 则Δy=dist*y/100=0.05%x5.5mm/100=2.75µm. 故此畸变导致像发生了2.75µm的偏移，小于一个像素。

推荐看看茉丽特MML系列远心镜头及ML-MCHR系列微距镜头畸变率都极小（0.0x%~0.00x%）,通常无需做畸变校正，故使用起来非常方便。

远心镜头及远心度

当人眼观察同一个物体，近距离时，感觉物体比较大，远距离时，感觉物体比较远，这种现象叫做透视误差。普通镜头也存在这个现象，但当测量应用时，透视误差会带来测量误差，因此通常需要用远心镜头来消除透视误差。

机器视觉领域里常用的远心镜头为：物方远心镜头和双侧远心镜头。

物方远心镜头是在镜头的像方焦平面处设置孔径光阑，使得轴外点主光线平行于光轴。

双侧远心镜头则通过在物方和像方焦平面处都设置孔径光阑来实现。

对于大多数应用，由于相机芯片到镜头接口处的法兰距离是固定不变的，只存在物体在物方景深范围内距离变化而产生的透视误差，此时物方远心镜头就能满足要求了。只有当由于安装或相机芯片精度等因素导致的芯片到镜头接口处的法兰距离可变时，需要用双侧远心镜头来消除物方和像方产生的透视误差。茉丽特MML系列为物方远心镜头，MTL系列为双侧远心镜头。

有经验的工程师会发现，不同厂家的远心镜头消除透视误差的能力也有差异，这是因为远心度不同。远心度定义为主光线与光轴间的夹角θ。

假设物体高低差d=2mm, 镜头远心度θ=0.05°，则物体位置偏移量=2mm*tan0.05°=1.7µm. 若选用普通镜头θ=15°，则物体位置偏移量=2mm*tan15°=535.9µm。因此对于非平面物体的测量应用，只有选用远心度高的远心镜头，才能很好的消除透视误差，从而减小测量误差。茉丽特远心镜头远心度大都为0.0x°.

另外，大多数工程师对景深和远心度有误解，认为远心镜头的景深比普通镜头大。但前几期我们专门讨论过景深，知道景深只与弥散斑直径、镜头Fno.、放大倍率相关，与远心度无关。

远心镜头优点：（1）最突出特点是消除透视误差；（2）通常远心镜头的畸变都非常小；（3）通常远心镜头的相对照度都很好。

远心镜头缺点：由于远心光路限制，远心镜头的镜筒直径>FOV.因此当被测物很大时，远心镜头体积会非常庞大，成本也高。

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