远心镜头技术及其选型介绍

本文转自：新机器视觉

1）远心镜头原理：

远心镜头（Telecentric lens），是为纠正传统镜头视差而设计，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会变化，简单的说这种镜头拍出来的图像没有近大远小关系。

远心镜头又分为物方远心镜头、像方远心镜头和双侧远心镜头。下面是两个远心镜头的实物照片。

关于远心镜头的原理，网上有一些介绍，但是写的都很晦涩。其实几句话就能说清楚的，最核心的一点是远心镜头是普通镜头与小孔成像原理的结合。

本文试着用三张图来说明远心镜头的原理。

1.物方远心镜头（Telecentric lens）

传统镜头的光路：

如果我们在像方焦点处放置个小孔，光路就变成了这样：

这个小孔的作用就是只让平行入射的物方光线可以达到像平面成像。从几何关系可以看出这时像就没有近大远小的关系了。物方远心镜头的原理就这么简单。之所以叫物方远心，是因为接收平行光成像，相当于物体在无穷远处。

物方远心镜头的缺点是放大倍数与像距成直接关系。实际使用时相机安装的远近会影响放大倍数。所以每个镜头系统都要单独的标定放大倍数。

2.像方远心镜头（image-space telecentric）

我们知道光路是可逆的，那么将物方远心镜头的光路反过来就成了像方远心镜头的光路。

这种镜头的特点是放大倍数与像距无关，相机离得远还是近都不影响放大倍数。

3.双侧远心镜头 （double telecentric、bi-telecentric）

结合物方远心和像方圆心的光路就成为了双侧远心镜头。下面是光路：

这种镜头的特点是物体离得远近或者相机离得远近都不影响放大倍数。所以广泛的应用在机器视觉测量检测领域。

当然，实际的圆心镜头中的小孔光阑不可能无限的小，那样进来的光线就太小了。所以实际的圆心镜头还是会有一定的近大远小关系的（这个指标称之为远心度，远心镜头的远心度通常小于0.1°）。物距也不是任意的，但是它比普通的镜头的景深要大得多。

2）远心镜头的选型方法：

远心镜头的选型办法其实跟普通光学系统中的镜头类似，需要关注的几个点如下：

①.兼容的CCD靶面尺寸

这一点跟普通镜头的选择类似，要求远心镜头兼容的CCD靶面大于或等于配套的相机靶面，否则会造成分辨率的浪费。

②.接口类型

目前远心镜头提供的接口类型也跟普通镜头类似，有C口，F口等，只要跟相机配套即可使用。

③.放大倍率，或成像范围

当放大倍率和CCD靶面确定时，成像范围即确定，反之亦然。

④.工作距离

一般以上三点选定的情况下，工作距离已经确定在一个范围之内，这是其成像光路决定的。需要注意的就是此工作距离是否满足实际使用要求。当选用远心系统进行检测时，我们建议先选定镜头，依据其工作距离设计其他机械结构。

⑤.景深范围

在满足前面几个使用条件的前提下，景深范围越大，说明远心系统的光学特性越好，在选型时可作为参考。

近年来，经常做机器视觉精密测量的公司就会听到一些比较新的名词，如双侧远心、单侧远心、物方远心、像方远心等等这些以前并不是经常被提起的光学概念，让人一头雾水，不知如何理解，收集到的资料往往也都是专业化程度高不容易理解，今天就从实际应用角度出发来简述双远心工业镜头的相关原理。

1）双远心镜头原理及能解决的问题：

1.凸透镜成像原理

特性一：所有经过光心的光不改变其传播方向

特性二：凸透镜对平行光有汇聚作用，镜头的成像即利用这一点

2.双远心镜头成像原理

原理：通过在镜头中间放置光阑，使得进出镜头的光线均为平行光，其他光线被光阑遮挡，无法到达成像芯片各看一侧分别是物方远心、像方远心镜头。物方解决景深问题，像方解决放大倍率变化问题。

3.双远心镜头解决的问题

①.分辨率问题：

普通工业镜头分辨率跟不上芯片分辨率提高的脚步，其受制于其光学成像的原理，最好的也只能做到10um左右,最多可配合1000W像素的相机使用，满足不了现在高分辨率相机和高精度测量检测的要求。

②.景深问题：

普通镜头的景深比较小，当需要测量的物体在镜头纵深方向超出其范围，检测或测量无法进行。

③.放大倍率问题：

放大倍率随作距离变化而发生变化。当我们的视觉系统被用来执行精密测量任务时，这一特性会导致不可容忍的误差。

2）双远心镜头选型方法：

A：主要注意以下几点：视场范围，兼容的CCD靶面，接口类型等满足要求，其他的如工作距离，景深范围，外形尺寸等只要不影响使用就可以。

3）双远心镜头常见问答：

Q：为什么双远心镜头的体积通常比较大

A：因为双远心镜头是平行光进出，所以需要多大拍摄面积，就需要多大面积的平行光进入，因此就需要多大面积的镜筒，所以双远心镜头体积通常都比较大，而且视场越大，体积越大。

Q：双远心镜头配合什么样的光源效果比较好？

A：由于远心镜头只接受平行光，滤除了几乎所有的漫反射光源，所以在自然环境下成像比较暗，所以选用平行光源能够最大限度的发挥双远心镜头的优势，使被测物体边缘清晰、稳定，并有效去除检测过程中的噪声。