遠心鏡頭（糾正傳統工業(yè)鏡頭視差的鏡頭）

發(fā)展歷程

工業(yè)鏡頭是機器視覺(jué)系統中十分重要的成像元件，系統若想完全發(fā)揮其功能，工業(yè)鏡頭必須要能夠滿(mǎn)足要求才行。21世紀初，隨著(zhù)機器視覺(jué)系統在精密檢測領(lǐng)域的廣泛應用，普通工業(yè)鏡頭難以滿(mǎn)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。

遠心鏡頭依據其獨特的光學(xué)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(jué)精密檢測帶來(lái)質(zhì)的飛躍。

原理優(yōu)勢

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

1）

設計原理及作用：

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

物方遠心鏡頭設計原理圖

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(xué)系統的物方焦平面上，像方主光線(xiàn)平行于光軸主光線(xiàn)的會(huì )聚中心位于像方無(wú)限遠，稱(chēng)之為：像方遠心光路。其作用為：可以消除像方調焦不準引入的測量誤差。

像方遠心鏡頭設計原理圖

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(jué)測量檢測領(lǐng)域。

雙遠心鏡頭設計原理圖

遠心鏡頭

參數選擇

1）高

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）衡量，單位為lp/mm（每毫米線(xiàn)耦數）。大部分機器視覺(jué)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。普通機器鏡頭通常有高于1~2%的畸變，可能?chē)乐赜绊憸y量時(shí)的精確水平。相比之下，遠心鏡頭通過(guò)嚴格的加工制造和質(zhì)量檢驗，將此誤差嚴格控制在0.1%以下。

3）無(wú)透視誤差

在計量學(xué)應用中進(jìn)行精密線(xiàn)性測量時(shí)，經(jīng)常需要從物體標準正面（完全不包括側面）觀(guān)測。此外，許多機械零件并無(wú)法精確放置，測量時(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。遠心鏡頭可以完美解決以上困惑：因為入射光瞳可位于無(wú)窮遠處，成像時(shí)只會(huì )接收平行光軸的主射線(xiàn)。

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(wú)可比擬的光學(xué)效果：在一定物距范圍內移動(dòng)物體時(shí)成像不變，亦即放大倍率不變。

這些年機器視覺(jué)在中國發(fā)展迅速，大家在系統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(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(wèn)題。針對這個(gè)問(wèn)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，只要其靶面的規格大于或等于相機的靶面即可。使用過(guò)程中請留意，在遠心鏡頭的物鏡垂直下方區域范圍的都是遠心成像，而超出此范圍的區域，就不是嚴格意義上的遠心成像了，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(hù)在選擇遠心鏡頭時(shí)，首先應明白在什么時(shí)候需要時(shí)選擇遠心鏡頭。根據遠心鏡頭原理特征及獨特優(yōu)勢，

當檢查物體遇到以下6

情況時(shí)，最好選用遠心鏡頭：

1）當需要檢測有厚度的物體時(shí)（厚度>1/10 FOV直徑）；

2）需要檢測不在同一平面的物體時(shí)；

3）當不清楚物體到鏡頭的距離究竟是多少時(shí)；

4）當需要檢測帶孔徑、三維的物體時(shí)；

5）當需要低畸變、圖像效果亮度幾乎完全一致時(shí)；

6）當缺陷只在同一方向平行照明下才能檢測到時(shí)。

選擇遠心鏡頭，首先應明白遠心鏡頭相關(guān)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(shí)得到像方尺寸，即可計算出放大倍率，然后根據產(chǎn)品列表選擇合適的像方鏡頭。選擇過(guò)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(lèi)

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。

物方遠心鏡頭是將孔徑光闌放置在光學(xué)系統的像方焦平面上，當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(méi)有發(fā)生改變，即測得的物體尺寸不會(huì )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(wú)畸變。

像方遠心鏡頭，通過(guò)在物方焦平面上放置孔徑光闌，使像方主光線(xiàn)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。

雙側遠心鏡頭兼于上面兩種遠心鏡頭的優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)圖像處理中，一般只使用物方遠心鏡頭。偶爾也有使用兩側遠心鏡頭的，（當然價(jià)格更高）。而在工業(yè)圖像處理/機器視覺(jué)這個(gè)領(lǐng)域里，像方遠心鏡頭一般來(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。

應用優(yōu)勢

遠心鏡頭主要應用于精密測量。在精密光學(xué)測量系統中，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、不適當光源干擾下造成邊界的不確定性等問(wèn)題，進(jìn)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(wèn)題，因此Telecentric鏡頭已經(jīng)成為精密光學(xué)量測系統決定性的組件，其應用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。

普通鏡頭對比

遠心工業(yè)鏡頭主要是為糾正傳統工業(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，使得到的圖像放大倍率不會(huì )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(jìn)行尺寸測量時(shí)，會(huì )存在如下問(wèn)題：

1）由于被測量物體不在同一個(gè)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(shí)，對物體的放大倍數也改變；

4）鏡頭的解析度不高；

5）由于視覺(jué)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(wèn)題，而且沒(méi)有此性質(zhì)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(zhì)，特別適合于尺寸測量的應用。

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

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。

普通鏡頭應用：大物體成像。

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

遠心鏡頭的缺點(diǎn)：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(xué)。