远心镜头(高分辨率远心镜头)

　　此外，由于远心镜头长焦距的特性，可以实现背景虚化，景深浅，拍摄时能够使主体更容易突出，所以也被广泛用于人像摄影中。

　　远心镜头主要在以下领域有广泛应用：

远心镜头技术及其选型介绍

 
  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。

 二、双远心镜头原理及选型

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，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。

 基本镜头类型：

 近心：入射光瞳在镜头内部

 远心：入射光瞳在无限远处

 环外侧：入射光瞳在镜头前方
 
放大倍率稳定性

在测量应用中，经常需要用到物体的正交视图（即没有物侧成像），以便执行正确的线性测量。

此外，许多机械部件无法精确定位（例如，由于振动），或者必须在不同的深度或甚至更糟的情况下进行测量时，物体的厚度（进而物体表面的位置）可能会发生变化；然而即便如此，软件工程师依然需要成像尺寸与实际尺寸之间的对应。

普通镜头在不同的共轭位置呈现不同的放大倍率：因此，当物体移动时，其图像大小的变化与物体到镜头的距离几乎成正比。任何人都可以在日常生活中轻松体验到这一点，例如使用配备有标准摄影镜头的相机拍照时。

当改变物体到镜头的距离（图中标记为“s”）时，标准镜头会产生不同大小的图像。

另一方面，当具有相同视角时，不同大小的物体看起来具有相同的尺寸。

左：分别使用标准镜头（顶部）和远心镜头（底部）拍摄的圆柱形物体的内花键。

右：分别使用标准镜头（顶部）和远心镜头（底部）拍摄的两个相同的机器螺丝（间隔100 mm）。

当物体保持在一定的范围内时，远心镜头获得的图像尺寸不会随物体位移而发生变化，这一范围通常被称为“景深”或“远心范围”。

这是由于光线在光学系统内的特定路径而产生的：只有重心线（或“主光线”）平行于光机主轴时，才能被物镜捕获到。因此，前端镜头的直径至少要与物方视场对角线一样大。

这种光学行为通过将孔径光阑精确定位于前方光学组的焦平面上而获得：入射光瞄准看似来自于无限远处的入射光瞳。“telecentric”（远心的）这个词语来源于“tele”（古希腊语中的意思是“远的”）和“centre”（中心）（指的是瞳孔孔径——光学系统的实际中心）。

  在远心光学系统中，光线只能通过平行于光轴的路径进入光学器件。

为了感受两种不同物镜的区别，我们设想一个标准镜头，焦距f = 12 mm，衔接一个1/3"的探测器，面对一个高度H = 20 mm、距离s = 200 mm的物体。

假设物体位移ds = 1mm，其尺寸的变化将大约为：

dH = (ds/s) · H = (1/200) · 20 mm = 0.1 mm

对于一个远心镜头，放大倍率的变化取决于“远心斜率”：好的远心镜头具有约为0.1°（0.0017弧度）的有效远心斜率θ；这意味着，物体位移ds为 1 mm时，其尺寸只会改变

dH = ds · theta= 1 · 0.0017 mm = 0.0017 mm

因此，相比于标准镜头，远心镜头放大倍率的误差减少到1/10至1/100。
 
  远心斜率决定放大倍率的变化。

“远心范围”或“远心深度”的概念通常被解释为放大倍数保持不变的景深范围。这个解释的误导之处在于它意味着剩余空间是“非远心的”，尽管这个参数总与处于相同范围内的镜头产生的最大测量误差有关。一个更重要的参数是“远心斜率”（以上称为“θ”）或“远心度”。该角度定义了由于物体位移产生的测量误差，无论被测物体放置在何处：由于主光线“沿直线传播”，此误差显然与空间无关。

为了收集远心光线，远心镜头前方的光学组件必须至少与物体的最大尺寸一样大；因此，相比于普通光学镜头，远心镜头更大、更重，因此也更加昂贵。

低畸变

畸变是限制测量精度最严重的问题之一：即使性能好的光学器件也会不同程度地受到畸变的影响，通常即使实际图像与预期图像仅有单个像素的区别，也可能成为严重的畸变。

简单来讲，畸变被定义为像点距图像中心的距离与无畸变图像上这一相同距离的百分比差值；它可以被看作物体的成像尺寸与其真实尺寸的偏差。例如，如果一个图像上的一点距其中心198个像素，而无畸变时该点距图像中心200个像素，则在这一点上的径向畸变将为：

畸变 = (198 - 200) / 200 = -2/200 = 1%

正径向畸变也被称为“枕形”畸变，而负径向畸变则被称为“桶形”畸变：应当注意的是畸变取决于径向位置，并可以改变正负。畸变也可以视为一个从真实世界到由镜头创建的虚拟空间的二维几何变换；由于这种变换不是线性的，而是接近2阶或3阶的多项式，因此图像会稍有拉伸和变形。

普通光学器件的畸变值会从几个百分比到数几十个百分比不等，要获得精确测量非常困难；当使用非远心镜头时情况更糟。大多数机器视觉光学器件最初是针对视频监控或摄影应用而开发出来的，因此相关畸变值通常被认为是可以接受的，因为人眼可以补偿高达1 - 2%的畸变误差。在某些情况下，如鱼眼镜头或网络摄像头镜头，会特意引入畸变以使镜头可以在大角度下工作，同时也可以为探测器提供均匀照明（在这些情况下畸变有助于减少余弦四次方定律效应）。

高质量的远心镜头通常具有非常低的畸变度，其值在0.1%之内；尽管这个值看起来非常小，但由其导致的测量误差会接近于高分辨率相机一个像素的大小。出于这个原因，在大多数应用中，畸变需要使用软件来校准：将一个精细图案（其几何精度必须至少为所需测量精度的十倍）放置在景深中心；然后在几个像点处计算出畸变，根据这些数据，软件算法可以将原始图像转换成无畸变图像。

很少有人知道，畸变不仅取决于光学器件本身，还与被测物体的距离有关；因此，严格遵守额定工作距离是非常重要的。

我们建议将镜头与被测物体进行精密的垂直校准，这样可以避免非同轴对称畸变效应。梯形畸变（也称为“梯形”或“薄棱镜”效应）是光学检测系统中另一个需要最小化的重要参数，因为它是非对称的，且很难通过软件进行校准。由于机械游隙或光学元件偏离中心，镜头对焦机构也会引入一些对称或非对称的畸变效应。

  Left: “pincushion” type distortion

 左边的图片是用一个远心镜头拍摄的畸变图案，未出现径向或梯形畸变。中间的图片是同一图案的另一拍摄结果，但显示出明显的径向畸变。右边则是梯形畸变的例子。

透视误差限制

当使用普通的光学器件对三维物体（非平坦的物体）成像时，远处物体看起来会比近处物体更小。因此，对一个圆柱空腔成像时，其顶冠和底冠边缘会呈现为两个同心圆，尽管实际上这两个圆是相同的。

相反，在使用远心镜头时，两个冠边缘是重叠的，底冠边缘因而被遮挡。

这种效应取决于光线的特定路径：在使用普通光学器件时，“平行”于主光轴的各种几何信息在探测器平面方向上也会具有分量，而使用远心镜头时没有这种垂直分量。

可以将一个普通镜头描述为一个数学函数，该函数建立起一个三维物体空间与二维探测器（图像）空间之间的对应关系，而远心镜头则建立一个二维——二维的对应关系，它不会展示被测物体的第三维度，因此成为剖面成像和尺寸测量的组件。

普通的光学器件会产生明显的图像透视误差（左图）。

远心镜头能够消除所有的透视效应（右图）。

普通光学器件（左）将纵向几何信息投射到探测器上，而远心镜头没有。 
 
 

 较好的图像分辨率

图像分辨率一般以量化相机探测器平面既有空间频率对比度的CTF（对比传递函数）来衡量，单位为lp/mm（每毫米线对数）。

机器视觉集成商往往倾向于将具有大量小像素的相机与低像素、低分辨率镜头结合使用，导致生成的图像模糊；而我公司提供的远心镜头分辨率高，可配合像素尺寸极小的高分辨率相机使用，从而提高测量分辨率。

不同CTF级别的光学器件所摄的标准美国空军分辨率测试图之间有明显的差异。

不存在边缘位置不确定性

逆光拍摄物体时，往往很难确定其边缘的确切位置。因为在黑暗的背景下，物体边缘的亮像素往往会与暗像素重叠。此外，如果物体具有高度的三维形状，边界效应也会进一步限制测量精度；如下图所示，光线以一定的入射角掠过物体边缘，被其表面反射后依然会被镜头捕获。镜头由此会认为这些光线来自物体后方；结果部分图像片段可能消失，使得测量非常不精确且不稳定。 

 如果使用远心镜头，则会大大减少普通成像镜头存在的边界效应。

使用远心镜头可以有效限制这种效应：如果瞳孔孔径足够小，那么可以进入镜头的反射光将是那些近于平行主光轴的光线。

由于这些光线受到非常小的偏差影响，因此物体表面对其的反射不会损害测量精度。

想要解决这些问题，可以将准直（也称为“远心”）照明器连接到远心镜头，并利用平行光源发散度处理好镜头孔径与视场的匹配。这样一来，来自照明器的所有光均由镜头收集并传送给探测器，同时可实现高的信噪比和难以置信的低曝光时间。另一方面，只有“预期的”光线进入成像镜头，这样就不会出现边界问题了。

 准直（远心）照明仅将预期光线投射到成像系统中。